2008年1月9日，重庆市巴南区重庆特斯拉化学原料有限公司铁氧体颗粒生产车间反应中产生的大量二氧化碳，从反应罐进料口和搅拌器连接口逸出，最终导致5人死亡、13人受伤…… 2019年5月25日，“金海翔”轮在荣成龙眼港维修期间，发生二氧化碳泄漏事故，造成10人死亡，19人送医的惨剧…… 提到二氧化碳，人们最先想到的，永远是它造成的事故。但实际上的二氧化碳是把双刃剑。在发生泄漏时，它是致命的武器；在消防灭火时，它又是灭火的利器。“只有看到二氧化碳的另一面，才能走出对二氧化碳的恐惧。”而来自上海交通大学环境科学与工程学院的杨阳老师，正是这样一位二氧化碳资源化利用的探索者。 志向是人生的航标。笃定自己想要什么，才能为之探索奋斗。所以，杨阳一直在为抵近心中理想，去拼搏，去奋斗。
了解资源化利用的现状 过量的CO2排放造成的气候变化，已经成为目前世界各国迫切需要解决的重大问题，通过合理途径实现CO2资源化利用无疑是最佳的途径之一。
在杨阳看来，目前科研人员已发展出光催化、电催化、催化氢化等CO2还原利用技术，但不同的技术，都有不同的限制。如光催化可利用光能作为能量输入实现负碳，但是还存在效率低、规模小等局限；电催化需要大量电能输入、同时产物选择性难以调控；催化氢化的氢源来自于不可再生能源，同时氢气的储存、运输均需消耗大量能源。因此，截至目前，高效且具有负碳效应的CO2转化利用仍是巨大的科学挑战。
现在，全世界都面临着能源危机，寻找可再生资源替代化石能源已成为全球共识。生物质资源是自然界唯一的可再生有机碳资源，利用生物质作为化石能源的替代品对构建低碳、绿色、可持续发展的人类社会具有重大意义。 生物质存储了丰富的太阳能且天然含有多种反应活性基团，如以纤维素为主要组成的农业废弃物秸秆、稻壳等，分子中含有羟基，而纤维素水解后生成的葡萄糖不仅含有羟基还含有还原性更高的醛基，蛋白质水解后的氨基酸含有氨基。这些高还原性的反应基团意味着直接利用生物质实现还原反应的可能。由于生物质具有来源广泛、碳中性、绿色环保等特点，如能利用其还原CO2，则可望开拓高效且具有负碳效应的CO2还原新方法，同时，也可为生物质的高价值利用提供新思路。
众所周知，CO2不仅是大气中的温室气体，也是地球碳资源历经循环后的最后一个环节，因此它的浓度异常增高意味着地球碳循环出现异常。一般来说，碳循环通过空气、水体、矿物和动植物之间的不断转化来保持平衡，即水和CO2通过光合作用生成生物质，生物质死亡后的残骸以及人类活动的废弃物会缓慢沉降到地下，在地下高温高压水以及微生物的作用下形成煤炭、石油、天然气等化石燃料。当CO2的排放速度远远大于吸收速度，含碳废弃物成为垃圾累积，地球碳循环失去了平衡。
但地质研究发现，地壳中的石油形成发生在高温高压水热反应场中，并且在这样的条件下有机物转化成化石能源的速度非常快，事实上，从含碳废弃物或生物质转化为化石燃料速度慢，并不是因为形成化石燃料的反应速度慢，而是废物残骸沉降到可反应的地点需要的时间漫长。因此，人为模仿地下高温高压水热条件，利用水热反应将CO2、有机废物、生物质快速转化成资源和能源，可为人工改善失衡的地球碳循环提供思路。 开启资源化利用的征途 基于水热环境的独特反应优势，杨阳所在的课题组提出了利用“水热反应”还原CO2的全新思路。水热反应一般定义为在高温高压水（100-600oC，2-50MPa）中的反应。由于高温高压水的特性，以及以水为反应介质的水热反应具有无毒无害、环境友好的特点，被誉为具有良好工业化应用前景及保持可持续发展不可缺的新技术。
受启发于上述自然现象，课题组利用水热反应进行了大量CO2及生物质转化研究，具体为系统研究了生物质水热还原CO2的反应规律及机制，在碳水化合物水热还原CO2、微藻类含氮生物质水热还原CO2和以锌-钴为核心反应金属，水热还原CO2，这三个领域取得了一系列原创性成果。
碳水化合物水热还原CO2。以存在最为广泛的碳水化合物为还原剂，首次实现其水热还原CO2，并建立了以碳标核磁为基础的CO2还原效率计算方法。通过搭建首台高温高压原位红外设备，探明碳水化合物原位氢转移还原CO2的反应机理，相较于传统热反应中生物质还原性效率，提高了十倍以上。在机理探究中，发现了高温高压水作为均相催化剂的独特作用，得益于高温高压水较弱的氢键，水分子通过与碳水化合物醛基的加成反应，激活醛基还原性氢实现CO2还原。以碳水化合物作为太阳能载体，得到太阳能-产品的能量利用率达到3%作用，远高于直接光催化的太阳能-产品能量利用率。
微藻类含氮生物质水热还原CO2。以生长速率最高的微藻作为含氮生物质的代表，探究CO2还原性。首次实现蛋白质氨基还原CO2，氨基氧化后在体系内发生归中反应生成氮气，完全避免有污染性的氮氧化物生成。开发的高效水热稳定催化剂，将反应温度降至200度左右，反应效率50%左右，为实现工业化提供可能。
以锌-钴为核心反应金属，水热还原CO2为甲烷。通过太阳能实现锌-氧化锌循环，以锌、钴为核心反应金属，通过实现强还原性氛围保持钴高催化活性，同时原位生成Co@ZnO催化剂。利用金属-金属氧化物强相互作用，高效激发CO2反应性，同时避免生成CO的副反应路径，最终得到100%甲烷产率。 但任何的科研探索都不可能一蹴而就，虽然已发现碳水化合物水热还原CO2可行，但直接碳水化合物还原效率普遍较低（低于20%），碳水化合物自身的复杂降解反应是还原效率低的一大主因。接下来，杨阳将和课题组共同深度探索，为水热反应的应用，提供更完善的技术支持。
专家简介
杨阳，上海交通大学环境科学与工程学院助理研究员,主要从事CO2及生物质资源化等方面研究。主持了博士后创新人才计划、国家自然科学基金青年基金多项国家科研项目,发表论文18篇。在生物质水热还原CO2方向,多次做国际会议报告和特邀报告介绍相关工作。
2020年入选了“2020年度博士后创新人才支持计划”，2021年获得国家自然科学基金委员会青年科学基金项目资助。同时，荣获上海交通大学第一届“源创杯”颠覆性技术大赛优胜奖,连续四年获得西安交通大学“思源“奖学金。
责任编辑：赵娜
