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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

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          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)與工程重點實驗室暨上海高研院-上海科技大學(xué)低碳能源聯(lián)合實驗室,在二氧化碳利用領(lǐng)域取得重大進展,創(chuàng)造性地采用氧化銦/分子篩雙功能催化劑,實現(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間6月12日23時在《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

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

            著名諾貝爾化學(xué)獎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碳循環(huán)更加有效。汽油是重要的運輸燃料,在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛,具有很高的經(jīng)濟價值。因此,二氧化碳的高效率利用,也一直是全球范圍的一個研究熱點。

            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單小分子化合物的合成,這些化合物相對來說價值不高。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%,與此同時生成的低價值甲烷卻高達(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)與工程重點實驗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小時連續(xù)運轉(zhuǎn)的單管試驗,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)合作開展千噸級工業(yè)試驗。

            “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。”中科院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點實驗室副主任鐘良樞說。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、鐘良樞和高鵬團隊創(chuàng)造性設(shè)計出了金屬氧化物/分子篩雙功能催化劑。首先利用氧化銦來活化二氧化碳,并進行選擇性加氫,在實現(xiàn)二氧化碳高效轉(zhuǎn)化為含氧中間體的同時可有效抑制副產(chǎn)物的生成,中間體再傳遞至分子篩的一個個“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)與工程重點實驗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)團隊已完成了催化劑制備放大并得到高機械強度的工業(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價,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。
           
           
           
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