为了实现全球温室气体减排目标，除了增加部署可再生能源技术和改善能源使用效率，二氧化碳再利用（CO2 Reuse）将是未来实现负碳排放的重要手段。然而，即使在通过广泛实施可再生能源发电来实现完全脱碳的情况下，发电厂、水泥、钢铁和化工工艺中仍产生大量的CO2，可将收集的一部分CO2用作化工原料来提供一种碳再利用的手段。此外，将CO2作为化工原料也将减少化学工业对化石原料的依赖。
在化学工业中仅实现了少数几个利用“捕获”的CO2作为原料合成有机化学品的工业化生产（见表1）。目前，最大规模的CO2化学利用途径是生产尿素。每年1.40亿吨CO2用于生产2亿吨尿素。对于聚合物的生产，预计到2050年CO2的利用潜力为1000万~5000万吨/年。在目前的市场结构中，大约60%的塑料应用于包装以外的领域，包括建筑、家居用品、电子产品和汽车的耐用材料。这些产品的寿命是几十年，甚至几百年。
以CO2为原料合成23种基础化学品
在科学文献中，大量实验成功地证明了CO2作为原料的可行性，然而，并非所有的CO2参与的反应都有潜力利用大量的CO2，或者可以实现盈利。Otto等人归纳了23种有开发价值的利用CO2合成基础化学品的反应（见表2），这些反应确实值得进一步研究。这里所列的23种有机化学品，其全球年产量均超过1万吨/年，大部分产品全球产量都在1000万吨/年以上。
将捕获的CO2作为化工原料的12条原理
参照绿色化学的12条原理，Poliakoff等人总结出将捕获的CO2作为化工原料的12条原理,并将其首字母缩写为CO2 CHEMISTRY（见表3）。目的是形成一套标准，用于评估以CO2为原料合成基础化学品项目的可行性，这些原则旨在强调CO2利用（CDU）是绿色和可持续化学的重要组成部分，并简要指出CDU与能源部门的联系。下面分述各条原理的含义。
1.催化作用至关重要。在有机合成和还原反应中，CO2是臭名昭著的不活泼化合物，热力学值极低，只能与非常高能量的化合物反应。因此，几乎所有利用CO2生成化学物质的反应都需要使用催化剂。例如，多相催化剂能够促进著名的Sabatier反应（CO2与H2反应生成甲烷和水）；均相催化剂对许多合成上有用的C-C和C-X键形成过程具有很强的选择性；CO2的光化学或电化学转化也需要合适的催化剂材料或分子催化剂来克服CO2还原为自由基负离子的巨大过电位。大自然构建整个以CO2为物质基础的生态系统的巧妙催化过程可以作为开发用于工业过程的人造催化剂的动力。
2.CO2的来源？CO2可以从许多工业过程和其他来源中分离出来。催化剂可能会对CO2的纯度提出较高的要求。微量杂质很容易使催化剂中毒或使昂贵的配体被氧化。幸运的是，全球CO2产量与可能的排放量之间存在巨大差距，化学工业可以方便地选择CO2的来源。使用大气中的CO2需要移动大量空气来通过化学过程吸收CO2 ，这可能很难与植物/树木/藻类进行光合作用获得碳化合物的方式来比。此外，如果一个过程是基于形成生物质来固定CO2，则需要考虑土地使用的问题，“食物与化学制品”以及用水，所有这些都影响项目的整体可持续性。
3.明天的世界可能会不同。与学术研究不同，商业化工生产必须面对经济现实。政府补贴可以随着政府或政策的变化而迅速变化。在这种情况下，重要的是要记住，尽管以CO2为原料的化学不能对碳减排产生重大影响，但是它可以减少特定工厂或公司的排放;这样的降低成本会给那家公司带来显著的经济优势。此外，全球油价是决定任何以CO2为原料的化学工艺可行性的关键参数。另一方面，以CO2为原料的化学工艺也为波动的“过剩”可再生能源提供了可能的去处，可能在未来构成一个新奇的、相当意想不到的商机。因此，经济上“有用”或“无用”过程之间的区别很可能取决于具体的时间和地点，从而导致在设计科学的短期和长期目标时采用不同的策略。
4.比现有工艺更清洁？就像在任何化学过程中一样，“绿色”应该是CO2化学的先验标准。任何新工艺都应该更清洁或至少不比它所取代的任何现有工艺流程更脏。在这方面，CO2化学具有巨大的潜力，与许多其他试剂相比，CO2是一种无毒、安全的试剂，很多工艺中生成水是唯一的副产品。
5.产品吨位大或附加值高？这是一个绝对关键的问题。如果目标是制造大吨位/低值产品，任何基于CO2的工艺都必须是低成本的，从而排除了使用昂贵催化剂或其他昂贵的加工助剂选项。这样的工艺也将特别容易受到石油价格波动的影响，因为原料的价格将在生产成本中占有很大的比例。相反，如果生产的是小批量/高价值产品，那么原料仅占总成本的一小部分，因此任何成本的CO2作为原料的优势可能只是微不足道。因此，在原料成本较低的情况下，一个有吸引力的选择是生产中等吨位/中等价值的产品，比如目前在德国已经大规模实施的以CO2为原料来生产聚氨酯聚合物用多元醇。
6.E-因子必须低。绿色化学的关键概念之一是E-因子，最初由Sheldon提出，该系数是指每单位重量产品产生的废物重量。它的使用对化学品生产带来了实际影响，在基于CO2的化学中E-因子甚至更为重要。这是因为CO2转化为有机化合物是能源密集型的，如果生成废物也会浪费能源。
7.最大化集成。尽管碳捕获（CCS）研究和CDU研究经常是分别进行，但将碳捕获及其后续碳利用工艺过程结合起来显然是有意义的。CO2压缩是捕获、释放和运输过程中不可或缺的一部分，因此，配备有捕集装置的发电厂或工业流程可以在零或中等温度下提供高压CO2。
8.创新工艺技术。许多推荐的CO2基工艺需要新建工厂，这将增加包含启动成本的资本支出。因此，创新工艺技术的引入，尤其是连续处理技术，可能会对项目经济性产生重大影响。比如，由CO2和H2合成甲酸，反应热力学要求，在反应阶段产物需要有额外的稳定化作用，这需要在反应完成后下游产品分离过程中加以克服这个热力学要求。
9.可持续性至关重要。对于CO2化学而言，长期可持续性是发展的一个主要因素，它必须成为判断任何推荐项目可行性的重要标准。无论催化作用多么完美，人们必须始终关注全生命周期、制造催化剂所需的能源和/或化学资源，这很可能表明，一个其他方面有吸引力的过程可能是完全不可持续的。此外，必须强调的是，可持续性涉及的不仅仅是证明特定催化剂是使用丰富且易于获得的元素，只能通过相当长的生命周期或类似评估来合理确定。
10.不能违背热力学。与化学的其他领域一样，CO2基过程的热力学取决于如何界定整个系统边界的位置。例如，上述的Sabatier反应（CO2与H2反应生成甲烷和水）是个放热反应，但是前提是这并未考虑生产原料H2所需的能量。热力学假设系统处于平衡状态，所以虽然热力学是不可击败的，但是可特意避开平衡状态，例如在真空中或等离子体体系中可能可以避开热力学平衡。
11.可再生和合理的能源输入。因为CO2化学的目的是避免在制造过程中使用化石碳。对于有机化学品而言，在产物化学品中所包含的CO2小于通过燃烧化石碳来产生制造所需的燃料能量显然是不明智的。否则，我们不妨还是以化石碳为起始原料。因此，可再生能源似乎是CO2化学的灵丹妙药。如果将使用可再生能源与CO2作为碳源相结合，就可以最大限度地降低碳排放。需要指出的是，无论是经济上还是环境上，可再生能源都不会“免费”。另外，如果可再生能源能够大规模使用，化学工业将不会是唯一的潜在出路，可再生能源也用于其他发展方向。因此，将CO2基化学品生产的能源需求降至最低仍然是CO2化学的一个核心目标。
12.仅靠热情是不够的。CDU的目的是设计出能够使用CO2作为化工原料的可行工艺方法。因此，不管智力和学术魅力多么迷人，都需要对提议的CO2利用工艺流程保持一定程度的现实主义。所提议的CO2利用工艺流程应该能引起广泛社会阶层的兴趣，而不仅仅是学术界或化学界。有时，伦理问题、对环境后果影响和美学问题也是很重要的。因此，任何CO2利用工艺流程，无论多么完美和复杂，如果没有来自更广泛的社会阶层的积极支持，都将很难真正地可持续。
结合这12条CO2化学原理，分析表2所列的23个反应，我们可以得出一些结论：排名靠前的6种基础化学品，其中5种（草酸、甲醛、甲醇、尿素和二甲醚）都是H2与CO2的反应产物。这些加氢反应的优点是消耗了大量的CO2，并且得到的产物分子结构简单且吨位大。对于这些产品，完全不消耗化石原料是可能的。
CO2利用CDU是将CO2转化为另一种具有商业价值的产品的过程。利用CO2生产燃料、化学品和材料有可能成为未来CO2减排的一个重要选择，CDU能够减少CO2排放和减少化石燃料消耗。从长远来看，CO2化学家和工程师需要不断努力获得更广泛的社会支持，实现面向未来且可持续的将捕获的CO2作为化工原料的化工产品制造愿景。