这个夏天的气泡不简单！人工淀粉、焊接气，二氧化碳还有啥技能？
摘要：
霓虹浸染的夏夜里，烧烤架上腾起的热浪裹挟着碳酸饮料气泡破裂的细响。玻璃杯壁上，无数透明的小气泡正上演着一场微型迁徙——它... 这些分子从化工厂开启它们的奇幻漂流，此刻正以食品级二氧化碳的身份完成着生命周期的重要转折。从工业管道到易拉罐的密闭空间，从人类的舌尖到重归天地，每个分子都携带着人类驯服温室气体二氧化碳的原始密码。而那些尚未被锁定的二氧化碳，仍在夜风中舒展身姿，宛如蛰伏的种子，静候着下一轮科技革命的唤醒。
在化学家的眼中，二氧化碳不过是碳氧双键构建的简单分子：一个碳原子通过两对共用电子与两个氧原子紧密联结，这种看似平凡的结构，却让它成为了地球生态系统的关键介质。
然而，当人类将二氧化碳标注为“温室效应元凶”时，往往忽略了它在工业文明中还有另一重身份。从碳酸饮料中的压力载体到冷链运输的制冷介质，从焊接保护气到灭火材料，这些穿梭在化工生产管线中的二氧化碳分子，正在被现代科技赋予复杂的角色转换。
追溯工业二氧化碳的诞生之处
尽管人类活动导致排向大气的二氧化碳量巨大，但并非所有气源都具备工业回收价值，它必须满足两个关键指标：达到一定浓度以确保捕集成本是经济上可行的，且具备稳定可获取性。当前规模化应用的富集二氧化碳主要有两个来源，一个是地质型碳库（天然二氧化碳），另一个是工业副产气源。
天然二氧化碳气藏（地质学和油气勘探中的专业术语，是指地下岩石中自然形成的、具有经济价值的气体聚集单元）主要赋存于特定的地质构造中。这些高浓度二氧化碳的形成涉及两类地球化学机制：有机成因（有机质的热演化）与无机成因（无机矿物的化学作用）。受到地质构造运动驱动，深部生成的二氧化碳在地热活动、断层活动和岩浆活动等作用下，最终在适宜圈闭中富集成藏。
二氧化碳气田形成的示意图 图片来源：参考文献[1]
工业生产过程中持续释放的二氧化碳副产物，构成了二氧化碳资源化利用的另一重要来源。从与化肥密切相关的合成氨工业，到以酒精为原料的发酵过程，再到建筑行业离不开的石灰生产，各式各类的工业场景中，不同浓度的二氧化碳伴随主产物同步生成。这类工业尾气的碳捕集优势在于：既可利用现有生产设施实现规模化回收，又兼具减排效益与资源化经济性。
二氧化碳回收工艺流程图 图片来源：参考文献[2]
被我们吃进嘴里的二氧化碳有哪些？
作为基础化工原料，二氧化碳的应用场景横跨食品加工、冶金工业、石油开采、农业保鲜等关键领域，深度渗透于现代生活的基础架构。
就拿我们熟悉的饮料工业来说，例如碳酸饮料，都离不开二氧化碳的添加。近年来，碳酸饮料的品类也逐渐扩展，新兴的无糖气泡水也开始纷纷上架。低糖和碳酸饮料的特殊风味进行融合，开辟出了新的饮品赛道，占据了可观的市场份额，手机前的你是否对此也有不小的贡献呢？
除了饮品，二氧化碳在食品工业方面的应用同样十分广泛。当它以气态面目示人时，可以用于调节果蔬贮藏的气体环境，能够大幅降低果蔬的贮藏损失，起到保鲜作用；当它被制为固体时，被称为“干冰”，是一种比冰更好的制冷剂，常被用于食品的冷藏和冷冻。
焊接与化工领域也有二氧化碳的身影
二氧化碳在工业生产中也可谓大显身手，其中最常见的用途之一就是充当焊接保护气。在焊接过程中，高温熔化的金属极易与空气中的氧气发生反应，而二氧化碳就像一位忠诚的卫士，在焊接点周围形成保护屏障，有效隔绝氧气，防止金属氧化（这项技术被简称为“二保焊”）。作为我国早年重点推广的焊接技术，二保焊凭借其优异的保护效果，如今已成为船舶制造、汽车生产、集装箱加工以及各类金属结构件焊接中不可或缺的工艺。
在化工领域，二氧化碳更展现出其独特的原料价值。在无机化工中，二氧化碳是制备碳酸盐系列重要化工产品的基础原料。而在有机化工领域，二氧化碳的应用前景更为广阔——作为理想的碳源，它正为构建有机分子提供全新的绿色路径。
化学家们已经开发出两条主要转化路线：其一，将二氧化碳通过还原反应转化为一氧化碳，进而参与各类羰基化反应（羰基是有机物中的一类重要结构，羰基化反应是指利用一氧化碳等羰基源，合成含有羰基的功能分子，如尼龙等合成纤维的前体分子）；其二，直接以二氧化碳为原料，通过催化转化制备高附加值化学品。其中，催化加氢技术尤为成熟，通过调控催化剂和反应条件，可精准制备甲烷、甲醇、二甲醚等不同产物，展现了二氧化碳转化的巨大潜力。
“碳”索未来：二氧化碳的
创新转化之路还在延伸
正如前文所述，科学家们始终将二氧化碳的创新转化作为重要研究方向。除用于合成大宗化工产品外，研究人员正积极探索以二氧化碳作为“C1 合成子”制备各类精细化学品的新路径。在这一前沿领域，我国科研团队持续取得突破性进展，为推动该领域发展贡献了重要的中国智慧。
近年来，四川大学研究团队在二氧化碳活化与转化领域取得重要突破。团队创新性地提出“CO₂= CO + [O]”活化策略，通过二氧化碳直接替代传统 CO/氧化剂体系参与羰基化反应，不仅避免了二氧化碳预还原的繁琐步骤，还拓展了羰基化产物来源的多样性。更为重要的是，团队开发了一系列新的过渡金属催化体系，并创新性地引入光或电协同催化技术，激活了二氧化碳分子，为不饱和烃类、卤代烃、亚胺等化合物的直接羧基化反应提供了全新路径。
正是有机合成化学家的魔术之手，让这看似简单的二氧化碳分子焕发出新的生命力——在不同催化体系的精准调控下，它们与多样底物翩翩共舞，最终蜕变为一系列高附加值的精细化学品。
谈及二氧化碳的创新转化，人们自然还会想到一种理想路径：在室温条件下、以极低的能耗实现高效利用。事实上，这一过程早已在地球的每一个角落持续进行——那就是光合作用。小小的二氧化碳分子被植物、蓝藻等生物吸收，与水分子共同参与一系列精妙复杂的生化反应，最终产出氧气和糖类。在室温下依靠太阳光生成可储能的糖类化合物，这无疑是人类目前所知最为高效、最为温和的二氧化碳利用机制。它是大自然数亿年演化的结晶，也堪称我们最值得学习的“老师”。
植物光合作用简易示意图 图片来源：作者使用 AI 辅助生成
受自然界光合作用的启发，经过科研人员的持续攻关，2021 年我国在利用二氧化碳人工合成淀粉领域取得重大突破。中国科学院天津工业生物技术研究所创新性地采用二氧化碳和氢气为原料，参考生物体内的糖代谢途径，构建了多模块协同催化体系（包含化学催化和生物催化模块），仅需 11 步反应即可完成从二氧化碳到淀粉的全合成。
这一突破性成果使淀粉合成效率达到玉米作物的 8.5 倍，标志着人类在碳固定领域实现了从仿生学习到超越自然的跨越。
展望未来，随着催化科学、合成生物学等前沿领域的交叉融合，曾被视作“气候公敌”的二氧化碳分子，必将绽放出更加绚丽的科技之光，为人类可持续发展提供全新的碳基解决方案。
参考文献
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