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能源科技重要突破!CO2一步變?nèi)剂?/h1>
石油Link平臺(tái)發(fā)布時(shí)間:2023-05-30 11:03:28

  日前,江南大學(xué)發(fā)布消息稱(chēng),劉小浩教授團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下二氧化碳一步近100%選擇性轉(zhuǎn)化乙醇,大大提升了二氧化碳制乙醇的效率。

  該技術(shù)為二氧化碳大規(guī)模利用提供了巨大機(jī)遇,展現(xiàn)出良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

  CO2一步制乙醇

  二氧化碳化學(xué)分子式為CO2,具有穩(wěn)定的直鏈結(jié)構(gòu)O=C=O,是主要的溫室氣體。

  在全球持續(xù)變暖的當(dāng)下,利用科學(xué)技術(shù)還原二氧化碳能達(dá)到固碳和降碳的作用,成為了各國(guó)普遍關(guān)注的話(huà)題,專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了大量的嘗試。

  CO2加氫制乙醇也早就不是一個(gè)新概念,只是一直存在著技術(shù)瓶頸。

  如今,江南大學(xué)的劉小浩團(tuán)隊(duì)終于在這一領(lǐng)域取得了突破。

  劉小浩教授團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的催化劑設(shè)計(jì)策略,通過(guò)結(jié)構(gòu)封裝法,構(gòu)筑了雙靶位點(diǎn)-納米“蓄水”膜反應(yīng)器,實(shí)現(xiàn)了二氧化碳在溫和條件下連續(xù)流一步無(wú)副反應(yīng)高效穩(wěn)定生成乙醇。

  這種納米“蓄水”膜反應(yīng)器,合成的催化劑結(jié)構(gòu)類(lèi)似于一個(gè)膠囊,內(nèi)部封裝了二氧化鈰載體分散的雙靶催化劑。

  膠囊的殼層具有高選擇性,疏水修飾后,保證內(nèi)部生成的水富集而產(chǎn)物乙醇可以溢出。


圖片源自:江南大學(xué)官網(wǎng)

  其中的水環(huán)境可以穩(wěn)定雙靶活性位點(diǎn),里邊的催化劑能夠在240℃、3MPa時(shí)將二氧化碳近100%選擇性高效穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為乙醇。

  實(shí)驗(yàn)通過(guò)連續(xù)60小時(shí)的測(cè)試且具有良好的穩(wěn)定性,乙醇產(chǎn)出物的選擇性也都能保持在近100%的水平。

  在以往的研究中,采用的各種熱催化增碳定向生成催化劑,特別是連續(xù)流反應(yīng)器中,無(wú)法實(shí)現(xiàn)中間物種的定向轉(zhuǎn)化和碳鏈增長(zhǎng)的精確可控,副產(chǎn)物多,導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的增碳合成單一高碳產(chǎn)物。

  劉小浩教授團(tuán)隊(duì)的技術(shù)成功突破了這一難點(diǎn),避免了產(chǎn)生大量低價(jià)值的副產(chǎn)物。

  CO2一步制乙醇:一直在探索

  乙醇燃燒生成二氧化碳有多容易,二氧化碳還原生成乙醇就有多難。

  這主要是因?yàn)槎趸技託浯呋菀?,但是生成乙醇不容易,生成純的乙醇更難。在二氧化碳催化加氫時(shí)CO2很活躍,會(huì)先形成C-O鍵。

  如果繼續(xù)催化還原的話(huà)C-O則容易形成CHO或者CH4。一旦實(shí)驗(yàn)中生成CH4就不能再生成乙醇了,或者那就是另外一套工藝了。

  要想生成乙醇,前提是過(guò)程中要有C-C耦合鍵的形成。在實(shí)驗(yàn)中,最難的就是如何穩(wěn)定地形成C-C耦合鍵。

  即使有了C-C耦合鍵,在還原反應(yīng)中每個(gè)C原子都還有三種選擇的機(jī)會(huì),從而形成烯烴和多元醇類(lèi)。

  如何在實(shí)驗(yàn)中讓C-C耦合鍵只形成乙醇這一種物質(zhì)?這一直以來(lái)都是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,也是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

  其實(shí),在這個(gè)還原反應(yīng)中催化劑的選擇非常重要。實(shí)驗(yàn)證明,Cu是CO2轉(zhuǎn)化生成C2+產(chǎn)物最具活性的金屬,主要是Cu+對(duì)-CO具有較好的吸附能力可以促進(jìn)C-C耦聯(lián),有利于形成C2+化合物。

  后來(lái),人們發(fā)現(xiàn)以金屬氧化物為載體的貴金屬(Rh,Pt,Au)、過(guò)渡金屬(Cu,F(xiàn)e,Co)及雙金屬 (Cu-Pd,Co-Fe,Pt-Co)催化劑都可以被用于CO2加氫合成高級(jí)醇。

  這些催化劑又被應(yīng)用在電催化、光催化、間歇釜熱催化等多種方法中。

  電催化是在電解池中將銅粉撒在碳基上,讓二氧化碳?xì)怏w通過(guò)時(shí)完成催化還原反應(yīng)。二氧化碳會(huì)在低壓電場(chǎng)中被還原,然后選擇性地重新排列生成乙醇,選擇性可以達(dá)到90%。

  在光催化反應(yīng)中用太陽(yáng)光提供能源還原二氧化碳,過(guò)程中明顯提高了乙醇的產(chǎn)量和選擇性,但是選擇性也只有92%。

  本文中的二氧化碳制乙醇的方法就屬于間歇釜熱催化的方法。實(shí)驗(yàn)證明:溫度在240℃、壓力3MPa 時(shí)生成乙醇的選擇性可以達(dá)到近100%。

  大量科學(xué)實(shí)踐加快了二氧化碳還原制乙醇的科學(xué)進(jìn)程,為二氧化碳制乙醇的工業(yè)化應(yīng)用帶了希望。

  二氧化碳的新“事業(yè)”

  乙醇俗稱(chēng)“酒精”,是重要的基礎(chǔ)化學(xué)品,可以用于制造飲料,消毒劑、車(chē)用燃料。

  作為燃料,乙醇既可以直接燃燒,也可以摻入到汽油中制成乙醇汽油。

  與傳統(tǒng)汽油相比,乙醇汽油在能源利用效率和環(huán)境保護(hù)方面具有優(yōu)勢(shì),能夠節(jié)省5%的能源,還可以減少許多污染物的排放。乙醇還能使發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下提供更好的啟動(dòng)性能。

  從成分含量來(lái)看,以國(guó)六B乙醇汽油為例,其中要求乙醇的含量為9.0%-10.5%。

  我國(guó)每年汽油的產(chǎn)量高達(dá)1.45億噸,而乙醇每年用于燃料的只有300-350萬(wàn)噸。

  所以,乙醇在乙醇汽油領(lǐng)域依然有很大的發(fā)展空間。

  但是長(zhǎng)期以來(lái),乙醇的工業(yè)制備方法主要有糧食發(fā)酵法、煤基制乙醇和乙烯裂解法制乙醇。

  在這個(gè)過(guò)程中消耗了大量的糧食、煤炭和石油。而用二氧化碳加氫制乙醇不僅可以起到節(jié)約糧食、煤炭和石油等原料的作用,還可以降低空氣中二氧化碳的含量。

  二氧化碳制乙醇一旦實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn),既可以增加乙醇的產(chǎn)量,還可以將大量的二氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料,實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)的閉環(huán)。

  其實(shí)將二氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料早就已經(jīng)有了先例。比如中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限公司和華陸工程科技有限責(zé)任公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的千噸級(jí)“液態(tài)陽(yáng)光”示范項(xiàng)目成功產(chǎn)出了合格的綠色甲醇。

  二氧化碳不僅可以制成甲醇,還可以直接制成碳中和汽油。2023年1月,中國(guó)石化參建的智利HIF公司Haru Oni示范項(xiàng)目通過(guò)可再生電力電解產(chǎn)生的氫氣與空氣中捕獲的二氧化碳合成反應(yīng),最終合成了碳中和汽油。

  我國(guó)的魯西化工的二氧化碳加氫制甲醇項(xiàng)目也在今年2月28日開(kāi)車(chē)成功。

  事例證明,二氧化碳制燃料正在一個(gè)個(gè)成為現(xiàn)實(shí)。

  或許,碳中和碳達(dá)峰的關(guān)鍵不在于如何降低化石燃料的使用,而在于讓碳形成完整的閉環(huán),循環(huán)起來(lái)。

來(lái)源:石油Link平臺(tái)


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