霓虹浸染的夏夜裏，燒烤架上騰起的熱浪裹挾着碳酸飲料氣泡破裂的細響。玻璃杯壁上，無數透明的小氣泡正上演着一場微型遷徙——它們從各種顏色的液體中掙脫，在杯口綻開的瞬間，將禁錮已久的二氧化碳分子送還大氣。

這些分子從化工廠開啓它們的奇幻漂流，此刻正以食品級二氧化碳的身份完成着生命週期的重要轉折。從工業管道到易拉罐的密閉空間，從人類的舌尖到重歸天地，每個分子都攜帶着人類馴服溫室氣體二氧化碳的原始密碼。而那些尚未被鎖定的二氧化碳，仍在夜風中舒展身姿，宛如蟄伏的種子，靜候着下一輪科技革命的喚醒。

碳酸飲料在傾倒時釋放出大量氣泡

（圖片來源：veer圖庫）

在化學家的眼中，二氧化碳不過是碳氧雙鍵構建的簡單分子：一個碳原子通過兩對共用電子與兩個氧原子緊密聯結，這種看似平凡的結構，卻讓它成爲了地球生態系統的關鍵介質。

二氧化碳分子的比例模型

（圖片來源：veer圖庫）

然而，當人類將二氧化碳標註爲“溫室效應元兇”時，往往忽略了它在工業文明中還有另一重身份。從碳酸飲料中的壓力載體到冷鏈運輸的製冷介質，從焊接保護氣到滅火材料，這些穿梭在化工生產管線中的二氧化碳分子，正在被現代科技賦予複雜的角色轉換。

追溯工業二氧化碳的誕生之處

儘管人類活動導致排向大氣的二氧化碳量巨大，但並非所有氣源都具備工業回收價值，它必須滿足兩個關鍵指標：達到一定濃度以確保捕集成本是經濟上可行的，且具備穩定可獲取性。當前規模化應用的富集二氧化碳主要有兩個來源，一個是地質型碳庫（天然二氧化碳），另一個是工業副產氣源。

天然二氧化碳氣藏（地質學和油氣勘探中的專業術語，是指地下岩石中自然形成的、具有經濟價值的氣體聚集單元）主要賦存於特定的地質構造中。這些高濃度二氧化碳的形成涉及兩類地球化學機制：有機成因（有機質的熱演化）與無機成因（無機礦物的化學作用）。受到地質構造運動驅動，深部生成的二氧化碳在地熱活動、斷層活動和岩漿活動等作用下，最終在適宜圈閉中富集成藏。

二氧化碳氣田形成的示意圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

工業生產過程中持續釋放的二氧化碳副產物，構成了二氧化碳資源化利用的另一重要來源。從與化肥密切相關的合成氨工業，到以酒精爲原料的發酵過程，再到建築行業離不開的石灰生產，各式各類的工業場景中，不同濃度的二氧化碳伴隨主產物同步生成。這類工業尾氣的碳捕集優勢在於：既可利用現有生產設施實現規模化回收，又兼具減排效益與資源化經濟性。

二氧化碳回收工藝流程圖

（圖片來源：參考文獻[2]）

被我們喫進嘴裏的二氧化碳有哪些？

作爲基礎化工原料，二氧化碳的應用場景橫跨食品加工、冶金工業、石油開採、農業保鮮等關鍵領域，深度滲透於現代生活的基礎架構。

就拿我們熟悉的飲料工業來說，例如碳酸飲料，都離不開二氧化碳的添加。近年來，碳酸飲料的品類也逐漸擴展，新興的無糖氣泡水也開始紛紛上架。低糖和碳酸飲料的特殊風味進行融合，開闢出了新的飲品賽道，佔據了可觀的市場份額，手機前的你是否對此也有不小的貢獻呢？

除了飲品，二氧化碳在食品工業方面的應用同樣十分廣泛。當它以氣態面目示人時，可以用於調節果蔬貯藏的氣體環境，能夠大幅降低果蔬的貯藏損失，起到保鮮作用；當它被製爲固體時，被稱爲“乾冰”，是一種比冰更好的製冷劑，常被用於食品的冷藏和冷凍。

超市用霧化水或食品級二氧化碳爲蔬菜保鮮

（圖片來源：veer圖庫）

焊接與化工領域也有二氧化碳的身影

二氧化碳在工業生產中也可謂大顯身手，其中最常見的用途之一就是充當焊接保護氣。在焊接過程中，高溫熔化的金屬極易與空氣中的氧氣發生反應，而二氧化碳就像一位忠誠的衛士，在焊接點周圍形成保護屏障，有效隔絕氧氣，防止金屬氧化（這項技術被簡稱爲“二保焊”）。作爲我國早年重點推廣的焊接技術，二保焊憑藉其優異的保護效果，如今已成爲船舶製造、汽車生產、集裝箱加工以及各類金屬結構件焊接中不可或缺的工藝。

在化工領域，二氧化碳更展現出其獨特的原料價值。在無機化工中，二氧化碳是製備碳酸鹽系列重要化工產品的基礎原料。而在有機化工領域，二氧化碳的應用前景更爲廣闊——作爲理想的碳源，它正爲構建有機分子提供全新的綠色路徑。

化學家們已經開發出兩條主要轉化路線：其一，將二氧化碳通過還原反應轉化爲一氧化碳，進而參與各類羰基化反應（羰基是有機物中的一類重要結構，羰基化反應是指利用一氧化碳等羰基源，合成含有羰基的功能分子，如尼龍等合成纖維的前體分子）；其二，直接以二氧化碳爲原料，通過催化轉化製備高附加值化學品。其中，催化加氫技術尤爲成熟，通過調控催化劑和反應條件，可精準製備甲烷、甲醇、二甲醚等不同產物，展現了二氧化碳轉化的巨大潛力。

二氧化碳廣泛的工業用途

（圖片來源：參考文獻[6]）

“碳”索未來：二氧化碳的創新轉化之路還在延伸

正如前文所述，科學家們始終將二氧化碳的創新轉化作爲重要研究方向。除用於合成大宗化工產品外，研究人員正積極探索以二氧化碳作爲“C1合成子”製備各類精細化學品的新路徑。在這一前沿領域，我國科研團隊持續取得突破性進展，爲推動該領域發展貢獻了重要的中國智慧。

近年來，四川大學研究團隊在二氧化碳活化與轉化領域取得重要突破。團隊創新性地提出“CO₂= CO + [O]”活化策略，通過二氧化碳直接替代傳統CO/氧化劑體系參與羰基化反應，不僅避免了二氧化碳預還原的繁瑣步驟，還拓展了羰基化產物來源的多樣性。更爲重要的是，團隊開發了一系列新的過渡金屬催化體系，並創新性地引入光或電協同催化技術，激活了二氧化碳分子，爲不飽和烴類、鹵代烴、亞胺等化合物的直接羧基化反應提供了全新路徑。

二氧化碳與不飽和烴、有機鹵化物及亞胺等底物的還原羧化反應

（圖片來源：參考文獻[8]）

正是有機合成化學家的魔術之手，讓這看似簡單的二氧化碳分子煥發出新的生命力——在不同催化體系的精準調控下，它們與多樣底物翩翩共舞，最終蛻變爲一系列高附加值的精細化學品。

談及二氧化碳的創新轉化，人們自然還會想到一種理想路徑：在室溫條件下、以極低的能耗實現高效利用。事實上，這一過程早已在地球的每一個角落持續進行——那就是光合作用。小小的二氧化碳分子被植物、藍藻等生物吸收，與水分子共同參與一系列精妙複雜的生化反應，最終產出氧氣和糖類。在室溫下依靠太陽光生成可儲能的糖類化合物，這無疑是人類目前所知最爲高效、最爲溫和的二氧化碳利用機制。它是大自然數億年演化的結晶，也堪稱我們最值得學習的“老師”。

植物光合作用簡易示意圖

（圖片來源：作者使用AI輔助生成）

受自然界光合作用的啓發，經過科研人員的持續攻關，2021年我國在利用二氧化碳人工合成澱粉領域取得重大突破。中國科學院天津工業生物技術研究所創新性地採用二氧化碳和氫氣爲原料，參考生物體內的糖代謝途徑，構建了多模塊協同催化體系（包含化學催化和生物催化模塊），僅需11步反應即可完成從二氧化碳到澱粉的全合成。這一突破性成果使澱粉合成效率達到玉米作物的8.5倍，標誌着人類在碳固定領域實現了從仿生學習到超越自然的跨越。

人工澱粉合成途徑的設計和模塊組裝

（圖片來源：參考文獻[9]）

在國家“雙碳”戰略的指引下，我國對二氧化碳資源化利用的科研投入持續加碼。從傳統工業應用到高附加值精細化學品合成，再到人工澱粉的突破性製備，二氧化碳創新轉化的技術版圖正在快速擴展。

展望未來，隨着催化科學、合成生物學等前沿領域的交叉融合，曾被視作“氣候公敵”的二氧化碳分子，必將綻放出更加絢麗的科技之光，爲人類可持續發展提供全新的碳基解決方案。

參考文獻：

[1] 左銀輝,鄭紫芸,邵大力,等.二氧化碳成因、成藏主控因素及脫氣模式研究綜述[J].科學技術與工程,2021,21(29):12356-12367.

[2] 劉育濱,趙劉強,和景福.二氧化碳回收技術應用[J].山西冶金,2018,41(03):107-108.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2018.03.41.

[3] 靳治良,錢玲,呂功煊.二氧化碳化學——現狀及展望[J].化學進展,2010,22(06):1102-1115.

[4] 陳洪波,於靜.二氧化碳市場及發展前景[J].化工技術經濟,2003,(05):11-14.

[5] 翁凱江.二氧化碳在食品工業上的應用[J].福建輕紡,2005,(07):1-4.

[6] Godin J, Liu W, Ren S, et al. Advances in recovery and utilization of carbon dioxide: A brief review [J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021, 9(4): 105644.

[7] Song L, Jiang Y-X, Zhang Z, et al. CO2 = CO + [O]: recent advances in carbonylation of C–H bonds with CO2 [J]. Chemical Communications, 2020, 56(60): 8355-67.

[8] Zhang Z, Ye J-H, Ju T, et al. Visible-Light-Driven Catalytic Reductive Carboxylation with CO2 [J]. ACS Catalysis, 2020, 10(19): 10871-85.

[9] Cai T, Sun H, Qiao J, et al. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide [J]. Science, 2021, 373(6562): 1523-7.

出品：科普中國

作者：劉煜超（中國科學技術大學）

監製：中國科普博覽