化学家正在操纵温室气体来制造衣服、床垫、鞋子等等

服装公司 Zara 于 2021 年推出了一系列部分由废弃二氧化碳制成的连衣裙。其他企业也在效仿。

现在是早上，您在部分由温室气体制成的舒适泡沫床垫上醒来。你穿上一件含有从工厂排放物中提取的二氧化碳的 T 恤和运动鞋。跑完一圈后，你停下来喝杯乔，然后无罪地将塑料杯扔进垃圾桶，相信它会完全生物降解成无害的有机材料。在家里，你从一个已经活了很多世的瓶子里挤出洗发水，然后穿上一件由烟囱排放物制成的连衣裙。你带着微笑去上班，因为你知道你早上的例行公事已经使地球的大气变得更清洁了。

听起来像梦？几乎不。这些产品已经销往世界各地。其他的正在开发中。它们是学术界和工业界日益努力的一部分，旨在减少数百年来将 CO 2和其他吸热气体排放到大气中的人类活动造成的损害（ SN：22 年 3 月 12 日，第 16 页）。

迫切需要采取行动。联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 在其 2022 年报告中指出，气温上升已经对地球造成了不可逆转的破坏，并增加了人类死亡和疾病（SN: 5/7/22 & 5/21/22,第 8 页）。与此同时，CO 2的排放量继续上升。美国能源信息署去年预测，如果当前的政策和增长趋势继续下去，到 2050 年，全球 CO 2年排放量可能会从 2020 年的约 340 亿公吨上升到近 430 亿公吨。

碳捕集和封存（CCS）是一种缓解气候变化的策略，IPCC 长期以来一直认为它具有“相当大的”潜力。自 1970 年代以来就存在的一项技术，CCS 从烟囱或环境空气中捕获 CO 2并将其泵入地下以永久封存。根据全球 CCS 研究所的数据，如今，全球有 27 个 CCS 设施——其中 12 个在美国——每年储存约 3600 万吨碳。2021 年基础设施投资和就业法案包括为另外四个美国直接捕获设施提供 35 亿美元的资金。

但不仅仅是储存它，捕获的碳还可以用来制造东西。今年，IPCC 首次将碳捕获和利用(CCU) 添加到其减少大气碳排放的选项列表中。CCU 捕获 CO 2并将其结合到含碳产品中，如水泥、喷气燃料和制造塑料的原材料。IPCC 估计，CCU 仍处于开发和商业化的早期阶段，到 2050 年可将温室气体排放量减少 200 亿吨——超过当今世界全球排放量的一半。

英国谢菲尔德大学的化学家和全球 CCU 专家 Peter Styring 表示，这种认可对于一个努力摆脱其更成熟的表亲 CCS 阴影的运动来说是一个巨大的胜利。他补充说，许多与 CCU 相关的公司正在涌现并相互合作，并与世界各地的政府合作。

机械工程师 Volker Sick 在 4 月于布鲁塞尔举行的 CCU 会​议上表示，CCU 的潜力在数量和货币潜力方面都是“巨大的”。密歇根大学安娜堡分校的 Sick 领导全球 CO 2倡议，该倡议将 CCU 推广为主流气候解决方案。他补充说：“我们不是在谈论一件好事但不会动针的事情。” “它在很多很多方面都起到了推动作用。”

塑料泛滥

塑料由化石燃料制成，其产量正在上升。研究人员希望以不同的方式做事，使用已经存在于地面上的碳来制造塑料。

1980-2050 年全球塑料产量增长

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塑料悖论

在产品中使用二氧化碳并不新鲜。CO 2用于制造汽水、冷冻食物（如干冰）以及将氨转化为尿素作为肥料。新的焦点是将使用 CO 2制造产品作为减缓气候变化的战略。根据总部位于波士顿的市场研究公司 Lux Research 的数据，今天的 CCU 市场估计为 20 亿美元，到 2040 年可能会飙升至 5500 亿美元。这个市场的大部分是通过将 CO 2添加到水泥中来推动的——这可以改善其性能并减少大气中的碳——以及添加到喷气燃料中，这可以降低该行业的大量碳足迹。CO 2制塑料如今是一个利基市场，但该领域旨在同时应对两个危机：气候变化和塑料污染。

塑料由化石燃料制成，化石燃料是由古代生物遗骸形成的碳氢化合物的混合物。大多数塑料是通过精炼原油生产的，然后通过称为裂解的过程将其分解成较小的分子。这些较小的分子，称为单体，是聚合物的组成部分。乙烯、丙烯、苯乙烯等单体连接在一起形成塑料，例如聚乙烯（洗涤剂瓶、玩具、硬管）、聚丙烯（水瓶、行李箱、汽车零件）和聚苯乙烯（塑料餐具、CD盒、聚苯乙烯泡沫塑料） .

CO 2的解剖结构

破坏二氧化碳分子中碳（黑色）和氧原子（红色）之间的强双键需要大量能量。为了节省能源，研究人员正在试验化学和仿生催化剂。

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但用化石燃料制造塑料是一场碳灾难。总部位于日内瓦和华盛顿特区的非营利律师事务所国际环境法中心表示，塑料生命周期的每一步——提取、运输、制造和处置——都会排放大量温室气体，主要是 CO 2 。 - 2019 年超过 8.5 亿吨温室气体 -足以威胁全球气候目标。

数字将变得更糟。总部位于巴黎的政府间国际能源署 2018 年的一份报告预测，到 2050 年，全球对塑料的需求将从 2020 年的约 4 亿吨增加到近 6 亿吨。未来的需求预计将集中在发展中国家，并将大大超过全球回收努力。

塑料是环境的严重危机，从化石燃料的使用到垃圾填埋场和海洋的堆积（SN：21 年 1 月 16 日，第 4 页）。但我们是一个沉迷于塑料的社会，它给了我们一切——手机、电脑、舒适的 Crocs。有没有办法让我们的（塑料包装的）蛋糕也吃掉？

是的，Sick 说。他认为，首先要封住油井。接下来，用地上碳制造塑料。今天，有些产品由 20% 到 40% 以上的 CO 2制成。最后，他说，建立循环经济，减少资源使用，重复使用产品，然后将它们回收到其他新产品中。

“我们不仅可以消除化石碳作为一种来源，这样我们就不会增加地上碳预算，而且在这个过程中，我们还可以重新思考我们如何制造塑料，”Sick 说。他建议它们被专门设计为“活得非常非常长，这样它们就不必被替换……或者它们以一种良性的方式分解。”

但从稀薄的空气中制造塑料并不容易。CO 2需要从大气或烟囱中提取，例如，使用专门的设备。它通常需要压缩成液体形式并通常通过管道运输。最后，为了实现减少空气中碳含量的总体目标，将 CO 2转化为塑料构件的化学反应必须以尽可能少的额外能量进行。在处理二氧化碳分子时，保持低能耗是一项特殊挑战。

难以打破的羁绊

二氧化碳是一种如此强大的温室气体是有原因的。它非常稳定，可以在大气中停留 300 到 1000 年。这种稳定性使 CO 2难以分解并添加到其他化学物质中。反应通常需要大量能量。

“这是 CO 2的基本能源问题，”明尼阿波利斯明尼苏达大学的化学家 Ian Tonks 说。“将 CO 2固定在塑料上需要能量。我们正试图以创造性的方式寻找这种能量。”

催化剂提供了一个可能的答案。这些物质可以增加化学反应的速率，从而减少对能量的需求。CO 2制塑料领域的科学家们花了十多年的时间寻找可以在接近室温和压力下工作的催化剂，并诱导 CO 2形成新的化学特性。这些努力分为两大类：化学转化和生物转化。

第一次尝试

早期的实验集中在向高反应性单体（如环氧化物）中添加 CO 2以促进反应。环氧化物是由一个氧原子和两个碳原子组成的三元环。就像处于张力下的弹簧一样，它们很容易弹开。在 2000 年代初期，德国亚琛大学的工业化学家 Christoph Gürtler 和化学家 Walter Leitner 发现了一种锌催化剂，可以让他们打开聚环氧丙烷的环氧化物环并将其与 CO 2结合。反应后，CO 2永久地连接到聚丙烯分子上，不再以气体形式存在——所有 CO 2到塑料的反应都是如此。他们的工作产生了第一个商业 CO 2产品——一种含有 20% 捕获的 CO 2的聚氨酯泡沫。如今，Gürtler 现在所在的德国科思创公司每年销售 5,000 吨用于床垫、汽车内饰、建筑保温材料和运动地板的产品。

最近的研究集中在其他单体上，以扩大基于 CO 2的塑料的种类。丁二烯是一种烃类单体，可用于制造用于服装、地毯、粘合剂和其他产品的聚酯。

2020 年，俄亥俄州阿克伦大学的化学家 James Eagan 将丁二烯和 CO 2与斯坦福大学开发的一系列催化剂混合在一起。Eagan 希望创造一种碳负性聚酯，这意味着它具有从大气中去除 CO 2的净效果，而不是添加它。当他分析一个小瓶的内容物时，他发现他创造了更好的东西：一种由 29% CO 2制成的聚酯，在高 pH 水中降解成有机材料。

化学家 James Eagan 和他的同事们创造了一种可降解的聚酯，部分由废弃的 CO 2制成。大学。阿克伦

“化学就像烹饪，”伊根说。“我们拿了巧克力片、面粉、鸡蛋、黄油，把它们混合在一起，我们没有得到饼干，而是打开烤箱，发现了一个鸡肉馅饼。”

Eagan 的发明在回收行业有直接的应用，机器经常会被用于包装、汽水瓶标签和其他产品的不可降解粘合剂粘住。容易分解的粘合剂可以提高回收设施的效率。

被 Eagan 描述为友好竞争对手的 Tonks 将 Eagan 的专利工艺更进一步。通过让 Eagan 的产品再进行一次反应，Tonks使聚合物完全可降解为可重复使用的 CO 2——这是循环碳经济的目标。Tonks 今年创建了一家名为 LoopCO 2的初创公司，生产各种可生物降解的塑料。

微生物帮助

研究人员还利用微生物帮助将二氧化碳转化为有用的材料，包括服装面料。地球上一些最古老的微生物是在地球大气富含二氧化碳的时候出现的。这些微生物被称为产乙酸菌和产甲烷菌，开发了简单的代谢途径，利用酶催化剂将 CO 2和一氧化碳转化为有机分子。在大气中，CO会与氧气反应生成CO 2。在过去十年中，研究人员研究了微生物从大气中去除这些气体并将其转化为有用产品的潜力。

位于伊利诺伊州斯科基的 LanzaTech使用产乙酸细菌Clostridium autoethanogenum将 CO 2和 CO 排放物代谢成各种工业化学品，包括乙醇。去年，服装公司 Zara 开始使用 LanzaTech 的涤纶面料制作一系列连衣裙。

用于制造这些产品的乙醇来自 LanzaTech 在中国的两个商业设施，第一个将废二氧化碳（钢铁厂的主要排放物）转化为乙醇。乙醇再经过两个步骤变成聚酯。LanzaTech 与北京附近和中国中北部的钢厂合作，将一氧化碳送入 LanzaTech 充满微生物的生物反应器。

钢铁生产每生产一吨钢就会排放近两吨 CO 2。相比之下，一项生命周期评估研究发现，与由化石燃料制成的乙醇相比，LanzaTech 的乙醇生产过程将温室气体排放量降低了约 80%。

今年 2 月，伊利诺伊州埃文斯顿西北大学 LanzaTech 的研究人员和其他研究人员在《自然生物技术》杂志上报告说，他们对梭状芽孢杆菌细菌进行了基因改造，以生产丙酮和异丙醇，这是另外两种基于化石燃料的工业化学品。公司首席执行官 Jennifer Holmgren 表示，唯一的废物是死细菌，可用作堆肥或动物饲料。

其他研究人员正在跳过活的微生物，只使用他们的催化剂。十多年前，新泽西州皮斯卡塔韦罗格斯大学的化学家 Charles Dismukes 开始将产乙酸菌和产甲烷菌视为利用大气碳的一种方式。他对他们在用 CO 2制造碳构件时释放能量的能力很感兴趣，这种反应通常需要能量。他和他的团队专注于细菌的磷化镍催化剂，它负责释放能量的碳反应。

Dismukes 及其同事开发了六种电催化剂，它们能够在室温和压力下仅使用 CO 2、水和电来制造单体。Dismukes 的前学生、现任首席技术官 Karin Calvinho 说，磷化镍催化剂的能量释放途径“降低了进行反应所需的电压，从而降低了过程的能耗并改善了碳足迹”在 RenewCO 2，初创公司 Dismukes 的团队于 2018 年成立。

RenewCO 2计划将其单体（包括单乙二醇）出售给希望减少碳足迹的公司。该小组使用带入实验室的CO 2证明了其概念作品。未来，该公司打算从生物质、工业排放或直接空气捕获中获取 CO 2 。

细菌业务

LanzaTech 对细菌进行基因改造，将二氧化碳转化为乙醇和其他塑料和其他产品的组成部分。RenewCO 2使用受细菌启发的镍基催化剂来做同样的事情——用很少的能量分解 CO 2来制造新的东西。

生物转化碳捕获

C.张

改变的障碍

然而，研究人员和公司在扩大碳捕获和再利用方面面临挑战。在 CCU 存在之前制定的法规语言中潜伏着一些障碍。一个例子是美国环境保护署向生产生物燃料的公司提供税收抵免的计划。该计划面向玉米和甘蔗等植物燃料。LanzaTech 制造喷气燃料的方法没有资格获得学分，因为细菌不是植物。

其他障碍更为根本。Styring 指出了化石燃料补贴的长期做法，到 2021 年，全球补贴超过 4400 亿美元。据国际能源署称，全球政府对石油和天然气行业的补贴人为地压低了化石燃料价格，使可再生能源难以竞争。Styring 提倡将这些补贴转向可再生能源。

“我们努力遵循循环碳和创造循环经济的原则，”他说。“但目前的立法是为了维持线性经济。”

做碳数学

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随着公司试图减少碳足迹，许多公司都在进行生命周期评估，以量化其产品的全部碳成本。

让世界碳更清洁的快乐早晨例行公事在理论上是可行的。这还不是世界运转的方式。要实现循环经济，地面上的碳量是有限的，并且在一个永无止境的使用和再利用循环中受到控制，这将需要多方面的改变。政府政策和投资、企业实践、技术发展和人类行为都需要完美而迅速地符合地球的利益。

与此同时，研究人员继续研究二氧化碳分子。

“我试图为最坏的情况做计划，”阿克伦的化学家伊根说。“如果从来没有立法来控制排放，我们如何在我们的资本主义体系内运作，以可再生和负责任的方式创造价值？归根结底，我们将需要新的化学反应。”

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