另辟蹊徑 變廢為寶

　　新技術(shù)將二氧化碳變高值化“寶貝”

　　把“命門”掌握在自己手中

　　提及二氧化碳（CO2），一般人們認為它如同廢柴，不僅沒多大用處，還是破壞氣候、導(dǎo)致全球變暖的罪魁禍首之一。迄今科研人員想了很多辦法對付它，將其囚禁（固化封存）、打進水牢（鉆入海底）等。然而，在中國科學(xué)院過程工程研究所研究員張香平眼里，CO2可是上好的原材料，價廉、易得。十幾年來，她所在的離子液體團隊，在張鎖江院士的帶領(lǐng)下，一直琢磨如何高效轉(zhuǎn)化利用CO2，讓其變廢為寶。

　　對付固執(zhí)家伙，派活躍分子當“說客”

　　CO2利用是全球重大戰(zhàn)略問題。歐盟2016年6月啟動計劃將CO2利用作為重大研究方向；日本制定了CO2利用規(guī)劃路線圖；我國國家發(fā)改委、能源局在《行動計劃》中將其列為重點攻關(guān)任務(wù)。但是，由于CO2分子存在不易活化、反應(yīng)路徑復(fù)雜、產(chǎn)品選擇性低等問題，其活化轉(zhuǎn)化已成為國際公認的科學(xué)難題之一。

　　“CO2是空氣中常見的化合物，將其轉(zhuǎn)化利用并非易事。我們知道，CO2分子是由兩個氧原子與一個碳原子通過穩(wěn)固的雙鍵連接而成，要想一下子‘敲’開它們之間緊密鏈接的碳氧雙鍵，將其還原成氧和碳，是相當費勁的。”張香平在接受科技日報記者采訪時說。

　　張香平進一步解釋道，CO2直接進行斷鍵活化，需要在高溫、高壓下才能進行，但如果能找到其他的活躍分子去當“說客”，比如環(huán)氧化合物，則可以誘導(dǎo)CO2的活化，使其轉(zhuǎn)化更加容易。除此之外，還需要增加一個“媒介”，即合適的催化劑，促使CO2高效轉(zhuǎn)化。

　　十年來，經(jīng)過不知多少次的實驗摸索，研究團隊逐漸找到不辱使命的得力“干將”——多活性位點協(xié)同作用的離子液體催化劑，其不僅可活化CO2雙鍵，還可讓與之反應(yīng)的環(huán)氧乙烷（EO）變得活躍而更加容易開環(huán)，這樣CO2和EO在一起，即可發(fā)生反應(yīng)合成重要的化工原料碳酸乙烯酯等。

　　張香平指出，進一步通過化學(xué)鍵鏈負載，團隊成功地制備出了固載化離子液體催化劑，避免了采用均相催化劑易于流失失活、催化劑回收困難和能耗高、影響產(chǎn)品質(zhì)量等難題。

　　妙招迭出，為高效利用提升價值

　　既已開發(fā)出高效催化劑，還需要與之匹配的反應(yīng)器，提供適宜發(fā)生反應(yīng)的場所。

　　張香平介紹說：“遵從反應(yīng)—流動—傳遞耦合規(guī)律，團隊優(yōu)化了反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件，實現(xiàn)流場/溫度場均勻分布，創(chuàng)新開發(fā)出萬噸級固載離子液體氣液固三相列管式反應(yīng)器，而反應(yīng)期間快速釋放的熱量能盡快從體系排出，使反應(yīng)器不超溫，實現(xiàn)安全操作。”

　　在此基礎(chǔ)上，研究團隊采取醇解反應(yīng)—變壓共沸精餾耦合過程強化技術(shù)，實現(xiàn)全系統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成，大幅降低能耗、顯著提高經(jīng)濟性、減少了設(shè)備投資。

　　“在工藝上，還需要設(shè)計一個全流程將整個反應(yīng)和分離過程串起來，才能從原料得到最終的合格產(chǎn)品。”張香平告訴記者，“我們對整個過程進行物質(zhì)和能量的優(yōu)化集成，在能耗、效率、經(jīng)濟性、產(chǎn)品質(zhì)量等方面都得以大大提升，滿足企業(yè)和市場的需求。”

　　據(jù)介紹，在國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點專項支持下，自2018年5月以來，由中科院過程工程研究所牽頭的“CO2高效合成重要化學(xué)品新技術(shù)”項目，在CO2羰基化反應(yīng)中設(shè)計合成了具有多活性位點的功能離子液體催化劑，實現(xiàn)溫和條件下CO2的高效轉(zhuǎn)化，同時，制備了滿足工業(yè)需求的羰基化催化劑，建設(shè)了連續(xù)反應(yīng)裝置；針對碳酸乙烯酯醇解反應(yīng)，開發(fā)高活性、低成本催化劑，建成10噸/年的醇解連續(xù)裝置，建立了萬噸級工業(yè)試驗裝置。

　　開辟新路徑，合成多元重要化學(xué)品

　　CO2捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)，是我國煤炭實現(xiàn)低碳排放的主要途徑之一，而對收集到的CO2進行高值化利用，不僅可減少碳排放、緩解溫室效應(yīng)，還能產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟價值。

　　經(jīng)過多年不懈地努力，通過催化劑原始創(chuàng)新、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及系統(tǒng)的集成創(chuàng)新，中科院過程工程所離子液體團隊開發(fā)出以CO2與高能物質(zhì)環(huán)氧乙烷為原料合成碳酸乙烯酯，再分別經(jīng)醇解生產(chǎn)碳酸二甲酯聯(lián)產(chǎn)乙二醇高值化利用的新路線，形成了CO2溫和轉(zhuǎn)化的全原子利用新技術(shù)。

　　猶如點石成金，由CO2生發(fā)的產(chǎn)品可謂個個是高值化的“寶貝”，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和可觀的市場前景，迎刃之前利用后存在經(jīng)濟效益差等難題。

　　張香平介紹說，在多元化的產(chǎn)品中，碳酸二甲酯主要用于合成重要有機化工的中間體，被譽為21世紀綠色化學(xué)的“新基石”，可廣泛用于羰基化、甲基化、甲氧基化和羰基甲基化、聚碳等有機合成反應(yīng)，近年來，隨著動力鋰電池和聚碳等相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，對碳酸二甲酯的需求持續(xù)快速增長，我國預(yù)計2020年需求量400萬噸，2030年超千萬噸；乙二醇是合成聚酯纖維和樹脂的原料，我國年需求量大于1400萬噸，而對外依存度大于60%。

　　業(yè)內(nèi)人士認為，與CO2直接轉(zhuǎn)化合成化學(xué)品的反應(yīng)路線相比，這項技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、原子經(jīng)濟性好、產(chǎn)業(yè)化前景廣闊等顯著優(yōu)勢。項目的實施，有利于我國搶占CO2利用技術(shù)的國際制高點，解決和突破我國煤炭清潔高效利用的瓶頸問題，為CO2的高值化利用開拓出新路徑，具有重要的戰(zhàn)略意義。（記者 華 凌）

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責任編輯： 楊婷