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《新技术可提高用二氧化碳制取乙烯效率》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： wukan
  • 发布时间：2018-05-31

  • 　　一个国际科研团队发现，在铜箔催化剂表面添加聚丙烯酰胺镀层，能显著提高利用二氧化碳制取乙烯的效率，有助于研发“绿色”的塑料生产技术。

    　　乙烯是用于合成塑料、纤维等材料的基本化工原料之一，通常用石油或天然气制取。在电和催化剂作用下用二氧化碳制取乙烯，不仅能减少化石燃料的使用，还能消耗二氧化碳，有助于减少温室气体排放、遏制全球变暖。但此前相关技术的反应效率大多较低，不适合工业应用。

    　　英国斯旺西大学研究人员与美国、法国同行组成的团队在新一期《美国化学学会?催化》杂志上发表论文介绍，他们尝试在作为催化剂的铜箔表面添加不同的聚合物镀层，结果发现带有聚丙烯酰胺镀层的铜箔能将26%的二氧化碳转换成乙烯，相比之下未处理的铜箔仅能转换13%。

    　　计算机模拟显示，聚丙烯酰胺能断开二氧化碳分子里牢固的化学键，促进一氧化碳等中间产物的分子生成与稳定，从而使更多二氧化碳转换成乙烯而不是其他产物，增强了对特定反应的选择性。

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    • 特拉华大学催化科学与技术中心(CCST)的一组研究人员发现了一种新型的两步法来提高二氧化碳(CO2)电解效率，这是一种由电流驱动的化学反应，可以帮助生产有价值的化学品和燃料。 研究小组的研究结果于8月20日星期一发表在《自然催化》杂志上。 研究小组由化学和生物分子工程副教授冯姣和研究生马修·朱尼和卫斯理·吕克组成，他们通过建造一种特殊的三室装置获得了研究结果，这种装置被称为电解槽，利用电力将二氧化碳转化为更小的分子。 与化石燃料相比，电力是一种更经济、更环保的方法，可以驱动化学过程生产商业化学品和燃料。其中包括乙烯(用于生产塑料)和乙醇(一种有价值的燃料添加剂)。 “这种新型电解技术提供了一种新的途径，以令人难以置信的反应速率获得更高的选择性，这是迈向商业应用的重要一步，”焦说，他同时也是CCST的副总监。 而直接的CO2电解是降低二氧化碳的标准方法，焦的团队将电解过程分为两个步骤，将CO2还原为一氧化碳(CO)，然后将CO进一步还原为多碳(C2+)产品。焦健说，这种分两部分的方法比标准方法有很多优点。 焦博士说:“通过将这一过程分为两个步骤，我们获得了比直接电解过程更高的多碳产品选择性。”“序贯反应策略可以为设计更高效的二氧化碳利用过程开辟新途径。” 焦健和他的同事、化学和生物分子工程助理教授徐秉俊也在推动焦健的研究。在天津大学的研究人员的合作下，焦和徐正在设计一个系统，通过使用碳中性的太阳能发电来减少温室气体的排放。 焦说:“我们希望这项工作能让人们更多地关注这项有前途的技术，以便进一步研发。”“仍有许多技术挑战有待解决，但我们正在努力解决它们!” ——文章发布于2018年9月25日
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  • 《新技术将二氧化碳变高值化“宝贝》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-10-12
    • 提及二氧化碳（CO2），一般人们认为它如同废柴，不仅没多大用处，还是破坏气候、导致全球变暖的罪魁祸首之一。迄今科研人员想了很多办法对付它，将其囚禁（固化封存）、打进水牢（钻入海底）等。然而，在中国科学院过程工程研究所研究员张香平眼里，CO2可是上好的原材料，价廉、易得。十几年来，她所在的离子液体团队，在张锁江院士的带领下，一直琢磨如何高效转化利用CO2，让其变废为宝。 对付固执家伙，派活跃分子当“说客” CO2利用是全球重大战略问题。欧盟2016年6月启动计划将CO2利用作为重大研究方向；日本制定了CO2利用规划路线图；我国国家发改委、能源局在《行动计划》中将其列为重点攻关任务。但是，由于CO2分子存在不易活化、反应路径复杂、产品选择性低等问题，其活化转化已成为国际公认的科学难题之一。 “CO2是空气中常见的化合物，将其转化利用并非易事。我们知道，CO2分子是由两个氧原子与一个碳原子通过稳固的双键连接而成，要想一下子‘敲’开它们之间紧密链接的碳氧双键，将其还原成氧和碳，是相当费劲的。”张香平在接受科技日报记者采访时说。 张香平进一步解释道，CO2直接进行断键活化，需要在高温、高压下才能进行，但如果能找到其他的活跃分子去当“说客”，比如环氧化合物，则可以诱导CO2的活化，使其转化更加容易。除此之外，还需要增加一个“媒介”，即合适的催化剂，促使CO2高效转化。 十年来，经过不知多少次的实验摸索，研究团队逐渐找到不辱使命的得力“干将”——多活性位点协同作用的离子液体催化剂，其不仅可活化CO2双键，还可让与之反应的环氧乙烷（EO）变得活跃而更加容易开环，这样CO2和EO在一起，即可发生反应合成重要的化工原料碳酸乙烯酯等。 张香平指出，进一步通过化学键链负载，团队成功地制备出了固载化离子液体催化剂，避免了采用均相催化剂易于流失失活、催化剂回收困难和能耗高、影响产品质量等难题。 妙招迭出，为高效利用提升价值 既已开发出高效催化剂，还需要与之匹配的反应器，提供适宜发生反应的场所。 张香平介绍说：“遵从反应—流动—传递耦合规律，团队优化了反应器内构件，实现流场/温度场均匀分布，创新开发出万吨级固载离子液体气液固三相列管式反应器，而反应期间快速释放的热量能尽快从体系排出，使反应器不超温，实现安全操作。” 在此基础上，研究团队采取醇解反应—变压共沸精馏耦合过程强化技术，实现全系统热网络优化集成，大幅降低能耗、显著提高经济性、减少了设备投资。 “在工艺上，还需要设计一个全流程将整个反应和分离过程串起来，才能从原料得到最终的合格产品。”张香平告诉记者，“我们对整个过程进行物质和能量的优化集成，在能耗、效率、经济性、产品质量等方面都得以大大提升，满足企业和市场的需求。” 据介绍，在国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项支持下，自2018年5月以来，由中国科学院过程工程研究所牵头的“CO2高效合成重要化学品新技术”项目，在CO2羰基化反应中设计合成了具有多活性位点的功能离子液体催化剂，实现温和条件下CO2的高效转化，同时，制备了满足工业需求的羰基化催化剂，建设了连续反应装置；针对碳酸乙烯酯醇解反应，开发高活性、低成本催化剂，建成10吨/年的醇解连续装置，建立了万吨级工业试验装置。 开辟新路径，合成多元重要化学品 CO2捕集、利用与封存（CCUS）技术，是我国煤炭实现低碳排放的主要途径之一，而对收集到的CO2进行高值化利用，不仅可减少碳排放、缓解温室效应，还能产生显著的社会经济价值。 经过多年不懈地努力，通过催化剂原始创新、反应器结构优化及系统的集成创新，中国科学院过程工程所离子液体团队开发出以CO2与高能物质环氧乙烷为原料合成碳酸乙烯酯，再分别经醇解生产碳酸二甲酯联产乙二醇高值化利用的新路线，形成了CO2温和转化的全原子利用新技术。 犹如点石成金，由CO2生发的产品可谓个个是高值化的“宝贝”，具有广泛的应用领域和可观的市场前景，迎刃之前利用后存在经济效益差等难题。 张香平介绍说，在多元化的产品中，碳酸二甲酯主要用于合成重要有机化工的中间体，被誉为21世纪绿色化学的“新基石”，可广泛用于羰基化、甲基化、甲氧基化和羰基甲基化、聚碳等有机合成反应，近年来，随着动力锂电池和聚碳等相关行业的快速发展，对碳酸二甲酯的需求持续快速增长，我国预计2020年需求量400万吨，2030年超千万吨；乙二醇是合成聚酯纤维和树脂的原料，我国年需求量大于1400万吨，而对外依存度大于60%。 业内人士认为，与CO2直接转化合成化学品的反应路线相比，这项技术具有反应条件温和、原子经济性好、产业化前景广阔等显著优势。项目的实施，有利于我国抢占CO2利用技术的国际制高点，解决和突破我国煤炭清洁高效利用的瓶颈问题，为CO2的高值化利用开拓出新路径，具有重要的战略意义。
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