我们人类在2014年向大气中排放了359亿吨二氧化碳，主要来自发电厂燃烧煤炭和天然气、生产肥料和水泥以及其他工业过程。康奈尔大学化学工程师莱登·阿彻说，如果化学家能够像植物那样捕获二氧化碳并将其转化为其他产品的化学构件，“二氧化碳将不再是一种麻烦，而是一种礼物。”
多年来，科学家们一直试图储存从发电厂和其他排放源的排气管道中捕获的二氧化碳，主要是通过将其注入地下深处。然而，如果没有大量补贴，这种昂贵的碳封存过程可能在经济上不可行。将二氧化碳注入旧油井以驱出更多石油是一种应用，但这还不够，而且鉴于目前低油价，尚不清楚它是否划算。利用碳而不是储存碳的支持者希望通过从这种废品中创造有价值的东西来获利。最有可能的应用是将这种气体作为制造化工产品的原料，这也可以通过用更环保的材料替代石化产品来获得回报。
这些支持者面临着一个棘手的化学问题。二氧化碳是一种稳定的分子，其化学键中没有储存太多能量。为了利用它，化学家们必须添加能量，通常是通过加热，这通常需要电力。而大部分电力来自燃烧煤炭或天然气的发电厂——排放更多的二氧化碳到大气中，甚至比捕获的还要多。
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工程师、化学家和其他研究人员表示，新技术正在改变局面。保罗·邦杰是XPRIZE基金会能源与环境组的高级科学家，他希望为解决方案颁发巨额奖金将刺激各种各样的技术专家。下周三，该基金会将宣布，超过40支团队正在竞争赢得2000万美元的奖金。碳XPRIZE的获胜者将于2020年春季宣布，他将把最多的二氧化碳封存到净价值最高的产品中。一些团队的目标是制造聚合物、替代汽油的燃料或工业化学品。
从长远来看，所有生产一种或另一种化学品的不同公司可能会组成一个碳利用产业，从而产生影响。邦杰说，气候变化规模的问题需要多种解决方案。
康奈尔大学的阿彻也是碳XPRIZE顾问委员会成员，他说：“现在的问题是化学领域的人们如何创造新的反应、新的机制来利用二氧化碳作为原料？”本周在科学进展上，他提供了一个答案：一种燃料电池，它在产生电力的同时将二氧化碳转化为商品化学品。阿彻和他的学生瓦吉·萨达特建造了一个原型反应器，将二氧化碳与铝和氧气结合，生成草酸盐。草酸盐用于制造酸、除锈剂、织物染料和其他工业化学品。
阿彻非常清楚尝试用二氧化碳进行环境友好型化学的陷阱。“通常你会消耗如此多的能量，以至于成本过高——但我们会获得能量回报，”他说。“这让我们感到惊讶。”
该电池依靠铝和空气运行。在内部，氧气与铝制电极反应，形成高度活泼的超氧化铝，能够与原本不活泼的二氧化碳发生反应。两者反应生成草酸铝。燃料电池从这些化学反应中捕获一些能量，虽然它需要电压来驱动反应，但阿彻说，这个过程似乎产生的电力多于它消耗的电力。由于金属被消耗，选择合适的金属是关键。他选择了铝，因为它储量丰富且价格低廉。尽管铝生产会排放二氧化碳，但阿彻希望他的系统能在草酸盐中捕获足够的碳来抵消这一点。
康奈尔小组警告说，他们并不完全了解所涉及的化学反应。例如，早期版本的燃料电池使用了一种昂贵的材料，称为离子液体作为电解质。阿彻说，如果它发挥关键作用且无法替代，这项技术可能就不可行。
草酸盐是一种小众产品，就像许多从事碳利用的初创公司正在生产的化学品一样。但有些公司的目标远大。Skyonic的试点工厂位于德克萨斯州圣安东尼奥市，它捕获水泥厂的排放物并将其转化为石灰石和酸。Solidia Technologies将二氧化碳封存在混凝土本身中。其他处于不同阶段的公司正在致力于制造塑料、替代燃料和化学原料。
霍华德·赫尔佐格没有特别针对任何项目，他说，许多承诺利用捕获的碳的项目看起来都好得令人难以置信。赫尔佐格是麻省理工学院能源倡议的高级研究工程师，也是碳封存的支持者。“二氧化碳是耗尽的能量，”他说。在产品生命周期中不投入更多能量的情况下，从二氧化碳中获得商品化学品或能量形式的价值是极其困难的。“就能量而言，你不可能获胜。热力学告诉我们这一点，”赫尔佐格说。
尽管赫尔佐格承认其中一些公司可能会盈利，但他对碳利用在环境方面产生重大影响的潜力持怀疑态度。他是2005年IPCC二氧化碳捕获与封存特别报告的主要作者，并表示该报告关于碳利用的结论仍然成立：在全球排放量方面产生重大影响的潜力很小。即使化学工业使用二氧化碳来制造其所有产品——没有人认为这有可能——它们也无法吸收所有排放物。
位于加利福尼亚州伯克利的初创公司Opus 12的联合创始人肯德拉·库尔深知，碳利用不会完全解决世界排放问题。Opus 12正在开发一种电化学反应器，该反应器利用新型催化剂和可再生电力将二氧化碳转化为聚合物构件和其他化学品。库尔说，Opus 12将竞争碳XPRIZE。尽管对产品的需求不足以消耗大量的二氧化碳排放，但她表示，鉴于继续挖掘化石燃料来供应石化工业的环境后果，尝试使用二氧化碳来替代是值得的。“我们需要一种新的化学方法。”