二氧化碳“变”汽油,不是梦

文/高 鹏 孙予罕

 

双功能催化剂可“身兼数职”,帮助二氧化碳省却了中间环节,“一步到位”直接转化为汽油烃类化合物。
随着人类文明的不断发展,人们对自然资源的依赖程度逐渐增大,其消耗速度也在不断增长。然而,能源消费也对环境带来了诸多的负面影响,其中二氧化碳的排放问题越来越受到政府、公众、企业界、学术界的关注。目前,“减排”已不仅仅是一个环境热点,更成为威胁人类生存和发展的、达到国际关系高度的复杂问题。
其实,二氧化碳也是自然界中大量存在的一种“碳资源”。若能借助替代能源(太阳能、风能、核能等)电解水制得的氢气,把二氧化碳转化为有用的化学品或燃料,将同时帮助解决大气中二氧化碳浓度增加导致的环境问题、化石燃料过度依赖问题,以及可再生能源的存储问题。

二氧化碳,大变身
目前,二氧化碳资源化利用的研究主要集中在简单小分子化合物的合成。由于二氧化碳是一个非常稳定的分子,很难将其转化为大分子化合物。相关研究很少,这主要是因为缺乏有效的催化剂体系。
我们都知道,商用汽油主要通过石油炼制获得。汽油等烃类化合物是重要的运输燃料,在世界范围内应用广泛,具有很高的经济价值。汽油主要成分为含有5~12个碳原子的脂肪烃和环烷烃类,以及一定量芳香烃。汽油具有较高的辛烷值(抗爆震燃烧性能),并按辛烷值的高低分为90号、93号、95号、97号等牌号。
中国科学院上海高等研究院低碳转化科学与工程重点实验室的孙予罕研究员、钟良枢研究员、高鹏副研究员,通过成功设计氧化铟/分子筛双功能催化剂,在二氧化碳加氢一步转化高选择性合成汽油方面取得新突破。

双功能催化剂,立功劳
孙予罕研究团队设计的双功能催化剂可“身兼数职”,帮助二氧化碳省却了中间环节,“一步到位”直接转化为汽油烃类化合物。在双功能催化剂上,二氧化碳加氢烃类产物中汽油烃类化合物的总选择性高达80%,而低附加值的副产物甲烷仅有1%,且烃类组分以高辛烷值的异构烃为主,该技术得到的液体燃料接近93号汽油的品质。相关结果近期发表在《自然-化学》上。
此外,该技术工业化进程中必然要涉及催化剂的放大,工业催化剂不仅要求具有一定化学组成和杂质限度,还要求具有一定形状、颗粒大小、强度、比表面积等,单就尺寸来讲通常是实验室的成千上万倍。
如何得到工业要求的颗粒催化剂,同时又能保证原有的催化活性、选择性和寿命,则是该技术走向实际应用过程中需要解决的一个关键问题。
孙予罕研究团队已完成了催化剂制备放大,并得到高机械强度的工业尺寸颗粒催化剂,在工业反应条件下,其性能与放大前类似且稳定性良好。另外,通过尾气循环的操作,可进一步提升汽油烃类产物的回收率。因此,该催化剂体系具备了示范应用的条件。
当然,二氧化碳的利用必然要与替代能源相结合,这样才能真正做到二氧化碳的净减排。

制备氢气,不可少
目前氢气制备成本较高,在氢气资源过剩的局部地区,或者未来大规模使用风能、太阳能等能源廉价电解水产生氢气时,二氧化碳直接制汽油的技术具有广泛的应用前景。
孙予罕研究团队在光电水解制氢方面也做了大量卓有成效的工作。氢气也是一种清洁、高效的燃料,氢气具有相对较高的能量密度,这也是氢气作为能量的载体,被视为车用替代燃料的重要原因之一。
与传统内燃机车不同,氢燃料电池汽车是将储存在氢气中的能源直接转化成电能,再由电动马达驱动车辆行驶,这是一种更直接的电化学过程。既然氢气可以直接用做燃料,那为什么还要将其参与转化为汽油?
这是因为目前将氢气作为燃料驱动汽车,在安全性与可行性方面还存在问题;而将其转化为液态的传统燃料,就无须对现有内燃机进行改动,可直接使用。另外,汽油燃料的能量密度相对更高。汽车、火车、飞机、轮船等需要携带大量的能量,因此现阶段除了液体燃料别无选择。

捕获大气二氧化碳,有未来
可能还有人会问,这是否意味着该技术可以将大气中的二氧化碳直接转化为汽油呢?虽然大气中的二氧化碳浓度逐年升高,但是,相对于将二氧化碳作为原料的工业过程来说,大气中的二氧化碳浓度还是太低,只有0.03%,想要以低成本将其收集起来,则十分困难。
现阶段,该技术主要针对火电生产、水泥制备等高二氧化碳排放行业,以及钢厂焦炉气与煤化工废气的高效利用方面。在国家即将征收碳税(即针对二氧化碳排放所征收的税)的大背景下,该技术的优势更加明显。
目前,二氧化碳捕获材料也取得了突飞猛进的发展,如金属有机骨架材料,其比表面积最高可达10000以上,也就是说1克该材料的内表面积有1.5个足球场那么大,因此其碳捕获能力效果惊人。
相信在不久的将来,通过科学家的努力是可以实现空气中的二氧化碳直接转化为汽油燃料。
(本文作者高鹏,博士,副研究员,任职于中国科学院上海高等研究院低碳转化科学与工程重点实验室,研究方向为C1化学,在纳米催化及CO2/CO加氢方面有着丰富经验;本文作者孙予罕,研究员,博士生导师,国家自然科学基金杰出青年基金获得者,中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室主任)

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