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(mén)”掌握在自己手中

　　提及二氧化碳（CO2）,，一般人們認(rèn)為它如同廢柴,，不僅沒(méi)多大用處,，還是破壞氣候,、導(dǎo)致全球變暖的罪魁禍?zhǔn)字?。迄今科研人員想了很多辦法對(duì)付它,，將其囚禁（固化封存）,、打進(jìn)水牢（鉆入海底）等,。然而,，在中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員張香平眼里，CO2可是上好的原材料,，價(jià)廉,、易得。十幾年來(lái),，她所在的離子液體團(tuán)隊(duì),，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(duì)付固執(zhí)家伙，派活躍分子當(dāng)“說(shuō)客”

　　CO2利用是全球重大戰(zhàn)略問(wèn)題,。歐盟2016年6月啟動(dòng)計(jì)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(xiàn)圖；我國(guó)國(guó)家發(fā)改委,、能源局在《行動(dòng)計(jì)劃》中將其列為重點(diǎn)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(wèn)題,，其活化轉(zhuǎn)化已成為國(guó)際公認(rèn)的科學(xué)難題之一。

　　“CO2是空氣中常見(jiàn)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(gè)氧原子與一個(gè)碳原子通過(guò)穩(wěn)固的雙鍵連接而成,，要想一下子‘敲’開(kāi)它們之間緊密鏈接的碳氧雙鍵,，將其還原成氧和碳，是相當(dāng)費(fèi)勁的,?！睆埾闫皆诮邮芸萍既?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

　　張香平進(jìn)一步解釋道,，CO2直接進(jìn)行斷鍵活化,，需要在高溫、高壓下才能進(jìn)行,，但如果能找到其他的活躍分子去當(dāng)“說(shuō)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(gè)“媒介”,，即合適的催化劑,，促使CO2高效轉(zhuǎn)化。

　　十年來(lái),，經(jīng)過(guò)不知多少次的實(shí)驗(yàn)摸索,，研究團(tuán)隊(duì)逐漸找到不辱使命的得力“干將”——多活性位點(diǎn)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(kāi)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(jìn)一步通過(guò)化學(xué)鍵鏈負(fù)載,，團(tuán)隊(duì)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(jià)值

　　既已開(kāi)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(chǎng)所,。

　　張香平介紹說(shuō)：“遵從反應(yīng)—流動(dòng)—傳遞耦合規(guī)律，團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件,，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)/溫度場(chǎng)均勻分布,，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出萬(wàn)噸級(jí)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(shí)現(xiàn)安全操作?！?/p>

　　在此基礎(chǔ)上,，研究團(tuán)隊(duì)采取醇解反應(yīng)—變壓共沸精餾耦合過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，實(shí)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(jì)性、減少了設(shè)備投資,。

　　“在工藝上,，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)全流程將整個(gè)反應(yīng)和分離過(guò)程串起來(lái)，才能從原料得到最終的合格產(chǎn)品,?！睆埾闫礁嬖V記者，“我們對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行物質(zhì)和能量的優(yōu)化集成,，在能耗,、效率、經(jīng)濟(jì)性,、產(chǎn)品質(zhì)量等方面都得以大大提升,，滿(mǎn)足企業(yè)和市場(chǎng)的需求?！?/p>

　　據(jù)介紹,，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)支持下，自2018年5月以來(lái),，由中科院過(guò)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(xiàng)目,，在CO2羰基化反應(yīng)中設(shè)計(jì)合成了具有多活性位點(diǎn)的功能離子液體催化劑，實(shí)現(xiàn)溫和條件下CO2的高效轉(zhuǎn)化,，同時(shí),，制備了滿(mǎn)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(duì)碳酸乙烯酯醇解反應(yīng),，開(kāi)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(wàn)噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)裝置,。

　　開(kāi)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(guó)煤炭實(shí)現(xiàn)低碳排放的主要途徑之一，而對(duì)收集到的CO2進(jìn)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(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值,。

　　經(jīng)過(guò)多年不懈地努力,，通過(guò)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(guò)程工程所離子液體團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(xiàn)，形成了CO2溫和轉(zhuǎn)化的全原子利用新技術(shù),。

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

　　張香平介紹說(shuō)，在多元化的產(chǎn)品中,，碳酸二甲酯主要用于合成重要有機(jī)化工的中間體,，被譽(yù)為21世紀(jì)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(jī)合成反應(yīng),，近年來(lái),，隨著動(dòng)力鋰電池和聚碳等相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)碳酸二甲酯的需求持續(xù)快速增長(zhǎng),，我國(guó)預(yù)計(jì)2020年需求量400萬(wàn)噸,，2030年超千萬(wàn)噸；乙二醇是合成聚酯纖維和樹(shù)脂的原料,，我國(guó)年需求量大于1400萬(wàn)噸,，而對(duì)外依存度大于60%。

　　業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,，與CO2直接轉(zhuǎn)化合成化學(xué)品的反應(yīng)路線(xiàn)相比，這項(xiàng)技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和,、原子經(jīng)濟(jì)性好,、產(chǎn)業(yè)化前景廣闊等顯著優(yōu)勢(shì),。項(xiàng)目的實(shí)施，有利于我國(guó)搶占CO2利用技術(shù)的國(guó)際制高點(diǎn),，解決和突破我國(guó)煤炭清潔高效利用的瓶頸問(wèn)題,，為CO2的高值化利用開(kāi)拓出新路徑，具有重要的戰(zhàn)略意義,。（記者 華 凌）

【糾錯(cuò)】

責(zé)任編輯： 楊婷