新技术将二氧化碳变高值化“宝贝”

另一种变废为宝的方法

新技术将二氧化碳变成高价值“宝贝”

把“生命之门”握在自己手中

说到二氧化碳（CO2），人们普遍认为它就像废木头一样，不但无用，而且还是破坏气候、造成全球变暖的罪魁祸首之一。 到目前为止，研究网人员想了很多办法来处理它，比如囚禁它（固化密封）、将它驱入水牢（钻入海底）等。然而，在张向平眼中，中国科学院过程工程研究所研究员介绍，CO2是一种优良的原料，廉价易得。 十几年来，她的离子液体团队在张锁江院士的带领下，一直在思考如何高效转化利用CO2，变废为宝。

对付顽固分子，派积极分子充当“说客”

二氧化碳利用是全球重大战略问题。 欧盟于2016年6月推出计划，将CO2利用作为主要研究方向； 日本制定了二氧化碳利用规划路线图； 我国国家发改委、能源局将其列为《行动计划》重点研究任务。 然而，由于CO2分子活化难度大、反应途径复杂、产物选择性低等问题，其活化转化已成为国际公认的科学问题之一。

“CO2是空气中常见的化合物，想要转化利用并不容易。我们知道CO2分子是由两个氧原子和一个碳原子通过强双键连接而成。如果你想‘敲’一下将它们打开，将紧密相连的碳氧双键还原成氧和碳是相当费力的。” 张向平在接受科技日报记者采访时表示。

张向平进一步解释说，CO2的直接断键活化需要高温高压，但如果能发现其他活性分子是“说客”，比如环氧化合物，就可以诱导CO2的活化，使其转化为更轻松网。 此外，还需要添加一种“介质”，即合适的催化剂来促进CO2的高效转化。

十年来，经过无数次的实验和探索，研究网团队逐渐找到了不辱使命的强大“干将”——具有多活性位点协同作用的离子液体催化剂，它不仅可以激活CO2双键，但也让它与之发生反应。 环氧乙烷（EO）变得活泼，更容易开环，使CO2与EO反应，合成碳酸亚乙酯等重要化工原料。

张向平指出，团队通过进一步化学键链负载，成功制备了固定化离子液体催化剂，避免了均相催化剂易流失、失活、催化剂回收困难、能耗高、影响产品质量的问题。

妙招迭起 提升价值高效利用

既然高效催化剂已经开发出来，就需要一个配套的反应器来为反应提供合适的场所。

张向平介绍说：“团队遵循反应-流动-传递耦合规律，对反应器内部组件进行优化，实现流场/温度场的均匀分布，创新性研发出万吨级固载离子液体气体-液固三相管式反应器，反应过程中快速释放的热量可以尽快排出系统，使反应器不至于过热，实现安全运行。

在此基础上，研究团队采用醇解反应-变压共沸精馏耦合工艺强化技术，实现了整个系统热网的优化集成，大幅降低能耗，显着提高经济性，减少设备投资。

“在技术方面，还需要设计一个整体流程，将整个反应和分离过程连接起来，才能从原料中得到最终合格的产品。” 张向平告诉记者，“我们在整个流程中对材料和能源的整合进行了优化，效率、经济性、产品质量等方面都得到了很大的提高，满足了企业和市场的需求。”

据介绍，在国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用与节能新技术”的支持下，自2018年5月起，由中科院牵头的“二氧化碳高效合成重要化学品新技术”项目中国科学院过程工程研究所在CO2羰基化反应中，设计合成了具有多个活性位点的功能性离子液体催化剂，实现了温和条件下CO2的高效转化。 同时制备了满足工业需要的羰基化催化剂，并搭建了连续反应装置； 针对碳酸乙烯酯醇解反应，开发高活性、低成本催化剂，建设10吨/年醇解连续装置，建立万吨级工业试验装置。

开辟多种重要化学品合成新路线

CO2捕集、利用和封存（CCUS）技术是我国实现煤炭低碳排放的主要途径之一，收集的CO2的高值化利用不仅可以减少碳排放、缓解温室效应，还产生显着的社会经济价值。

中科院过程工程研究所离子液体团队经过多年不懈努力，通过原创催化剂创新、反应器结构优化和系统集成创新，研发出CO2与高能物质环氧乙烷合成碳酸乙烯酯，然后通过醇与乙二醇联产碳酸二甲酯的高值利用新路线，形成CO2温和转化的全原子利用新技术。

CO2生产的产品可谓点石成金，价值高的“宝藏”，应用领域广泛，市场前景可观，但存在使用后经济效益不佳等问题。

张祥平表示，在多元化的产品中，碳酸二甲酯主要用于合成重要的有机化工中间体，被誉为21世纪绿色化学的“新基石”，可广泛应用于羰基化、甲基化、甲氧基化、羰基甲基化等领域。 、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产业的快速发展，碳酸二甲酯的需求持续快速增长。 我国预计到2020年需求量为400万吨，2030年将突破1000万吨； 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，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，该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着优势。 该项目的实施将有助于我国抢占二氧化碳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，开辟煤炭高值化利用的新路径。 CO2，具有重要的战略意义。 （记者华凌）