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二氧化碳加上氫氣得到的清潔汽油

2017-6-15 10:49:45

二氧化碳是造成溫室效應(yīng)最主要的氣體，也是一種自然界大量存在的“碳源”化合物。如果二氧化碳加上氫氣，會(huì)有怎樣的化學(xué)反應(yīng)呢？近日，中科院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨上海高研院-上?？萍即髮W(xué)低碳能源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在二氧化碳利用領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，創(chuàng)造性地采用氧化銦/分子篩雙功能催化劑，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳加氫一步轉(zhuǎn)化，得到清潔汽油的選擇性高達(dá)近80%，是目前國(guó)際上這一領(lǐng)域最高的。

中科院上海微系統(tǒng)所參與了部分工作。該研究成果于北京時(shí)間6月12日23時(shí)在《自然-化學(xué)》雜志在線發(fā)表。

　　二氧化碳的高效率利用，是全球研究熱點(diǎn)

　　我國(guó)作為碳排放大國(guó)正面臨嚴(yán)峻的減排壓力。中國(guó)政府承諾，將于2030年左右使碳排放達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)。無疑，技術(shù)創(chuàng)新和突破是實(shí)現(xiàn)這一承諾的重要途徑。

　　著名諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者歐拉教授曾提出“人工碳循環(huán)”的概念，若將二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為液體燃料可使得整個(gè)碳循環(huán)更加有效。汽油是重要的運(yùn)輸燃料，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，二氧化碳的高效率利用，也一直是全球范圍的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

　　目前，二氧化碳資源化利用的研究主要集中在甲醇、甲酸、甲烷和一氧化碳等簡(jiǎn)單小分子化合物的合成，這些化合物相對(duì)來說價(jià)值不高。汽油組分的碳原子數(shù)在5-11之間，而由于二氧化碳分子的化學(xué)惰性，一般很難將其轉(zhuǎn)化為含有兩個(gè)碳原子及以上的化合物。

　　除了傳統(tǒng)的石油路線生產(chǎn)汽油，國(guó)內(nèi)外的科研人員在非石油路線做了許多探索。有的是兩步或三步生成汽油烴類組分，流程長(zhǎng)且成本太高；還有的雖然是一步轉(zhuǎn)化，但生成汽油烴類組分的選擇性一般都比較低，通常小于50%，與此同時(shí)生成的低價(jià)值甲烷卻高達(dá)10%－15%，利用率太低。

　　汽油產(chǎn)物的選擇性高達(dá)近80%

　　多年來，中科院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在二氧化碳高效活化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域做了大量的研究工作并取得了系列研究成果。新型高效的二氧化碳加氫合成甲醇催化劑于2016年完成了1200小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的單管試驗(yàn)，以及10–30萬噸/年二氧化碳甲醇技術(shù)工藝包的編制，后續(xù)將與企業(yè)合作開展千噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)。

　　“以二氧化碳作為原料，僅需一步高選擇性得到汽油產(chǎn)物，是這次突破最大的難點(diǎn)?！敝锌圃旱吞嫁D(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任鐘良樞說。一直以來，將二氧化碳直接合成汽油等化合物的研究非常少，主要是缺乏有效的催化劑體系。

　　雙功能催化劑已有多年的研究歷史，但從來沒有應(yīng)用于這一反應(yīng)，能否“拿來”一用呢？孫予罕、鐘良樞和高鵬團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)出了金屬氧化物/分子篩雙功能催化劑。首先利用氧化銦來活化二氧化碳，并進(jìn)行選擇性加氫，在實(shí)現(xiàn)二氧化碳高效轉(zhuǎn)化為含氧中間體的同時(shí)可有效抑制副產(chǎn)物的生成，中間體再傳遞至分子篩的一個(gè)個(gè)“小洞”中，發(fā)生反應(yīng)得到汽油烴類組分，選擇性高達(dá)近80%，創(chuàng)國(guó)際新高；而副產(chǎn)物甲烷的選擇性則小于1%。

中科院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制備催化劑的裝置。黃海華攝

　　眼下，氫氣的成本雖然不低，但未來若能借助替代能源（太陽能、風(fēng)能、核能等）電解水制得氫氣，成本將大大降低。

　　此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已完成了催化劑制備放大并得到高機(jī)械強(qiáng)度的工業(yè)尺寸顆粒催化劑，已具備了工業(yè)示范應(yīng)用的條件。該研究得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)，被認(rèn)為是二氧化碳轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的一大突破，為二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品及燃料提供了重要的平臺(tái)。

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