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，會有怎樣的化學反應呢？近日，中科院低碳轉化科學與工程重點實驗室暨上海高研院-上海科技大學低碳能源聯合實驗室，在二氧化碳利用領域取得重大進展，創造性地采用氧化銦/分子篩雙功能催化劑，實現了二氧化碳加氫一步轉化，得到清潔汽油的選擇性高達近80%，是目前國際上這一領域最高的。
中科院上海微系統所參與了部分工作。該研究成果于北京時間6月12日23時在《自然-化學》雜志在線發表。
中科院低碳轉化科學與工程重點實驗室制備催化劑的裝置。黃海華攝
此外，研發團隊已完成了催化劑制備放大并得到高機械強度的工業尺寸顆粒催化劑，已具備了工業示范應用的條件。該研究得到了審稿人的高度評價，被認為是二氧化碳轉化領域的一大突破，為二氧化碳轉化為化學品及燃料提供了重要的平臺。
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峻的減排壓力。中國政府承諾，將于2030年左右使碳排放達到峰值并爭取盡早實現。無疑，技術創新和突破是實現這一承諾的重要途徑。
著名諾貝爾化學獎獲得者歐拉教授曾提出“人工碳循環”的概念，若將二氧化碳直接轉化為液體燃料可使得整個碳循環更加有效。汽油是重要的運輸燃料，在世界范圍內應用廣泛，具有很高的經濟價值。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在5-11之間，而由于二氧化碳分子的化學惰性，一般很難將其轉化為含有兩個碳原子及以上的化合物。
除了傳統的石油路線生產汽油，國內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10%－15%，利用率太低。
汽油產物的選擇性高達近80%
多年來，中科院低碳轉化科學與工程重點實驗室在二氧化碳高效活化轉化領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小時連續運轉的單管試驗，以及10–30萬噸/年二氧化碳甲醇技術工藝包的編制，后續將與企業合作開展千噸級工業試驗。
“以二氧化碳作為原料，僅需一步高選擇性得到汽油產物，是這次突破最大的難點。”中科院低碳轉化科學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，但從來沒有應用于這一反應，能否“拿來”一用呢？孫予罕、鐘良樞和高鵬團隊創造性設計出了金屬氧化物/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，在實現二氧化碳高效轉化為含氧中間體的同時可有效抑制副產物的生成，中間體再傳遞至分子篩的一個個“小洞”中，發生反應得到汽油烴類組分，選擇性高達近80%，創國際新高；而副產物甲烷的選擇性則小于1%。
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、風能、核能等）電解水制得氫氣，成本將大大降低。
