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二氧化碳加上氢气,会有怎样的化学反应

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编辑时间 : 2020-05-31

二氧化碳是造成温室效应最主要的气体,也是一种自然界大量存在的“碳源”化合物。如果二氧化碳加上氢气,会有怎样的化学反应呢?近日,中科院低碳转化科学与工程重点实验室暨上海高研院-上海科技大学低碳能源联合实验室,在二氧化碳利用领域取得重大进展,创造性地采用氧化铟/分子筛双功能催化剂,实现了二氧化碳加氢一步转化,得到清洁汽油的选择性高达近80%,是目前国际上这一领域最高的。

在氧化铟/分子筛双功能催化剂作用下,二氧化碳加上氢气得到的清洁汽油。黄海华摄




二氧化碳的高效率利用,是全球研究热点


我国作为碳排放大国正面临严峻的减排压力。中国政府承诺,将于2030年左右使碳排放达到峰值并争取尽早实现。无疑,技术创新和突破是实现这一承诺的重要途径。


著名诺贝尔化学奖获得者欧拉教授曾提出“人工碳循环”的概念,若将二氧化碳直接转化为液体燃料可使得整个碳循环更加有效。汽油是重要的运输燃料,在世界范围内应用广泛,具有很高的经济价值。因此,二氧化碳的高效率利用,也一直是全球范围的一个研究热点。


目前,二氧化碳资源化利用的研究主要集中在甲醇、甲酸、甲烷和一氧化碳等简单小分子化合物的合成,这些化合物相对来说价值不高。汽油组分的碳原子数在5-11之间,而由于二氧化碳分子的化学惰性,一般很难将其转化为含有两个碳原子及以上的化合物。


除了传统的石油路线生产汽油,国内外的科研人员在非石油路线做了许多探索。有的是两步或三步生成汽油烃类组分,流程长且成本太高;还有的虽然是一步转化,但生成汽油烃类组分的选择性一般都比较低,通常小于50%,与此同时生成的低价值甲烷却高达10%-15%,利用率太低。


汽油产物的选择性高达近80%


多年来,中科院低碳转化科学与工程重点实验室在二氧化碳高效活化转化领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氢合成甲醇催化剂于2016年完成了1200小时连续运转的单管试验,以及10–30万吨/年二氧化碳甲醇技术工艺包的编制,后续将与企业合作开展千吨级工业试验。


“以二氧化碳作为原料,仅需一步高选择性得到汽油产物,是这次突破最大的难点。”中科院低碳转化科学与工程重点实验室副主任钟良枢说。一直以来,将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剂体系。


双功能催化剂已有多年的研究历史,但从来没有应用于这一反应,能否“拿来”一用呢?孙予罕、钟良枢和高鹏团队创造性设计出了金属氧化物/分子筛双功能催化剂。首先利用氧化铟来活化二氧化碳,并进行选择性加氢,在实现二氧化碳高效转化为含氧中间体的同时可有效抑制副产物的生成,中间体再传递至分子筛的一个个“小洞”中,发生反应得到汽油烃类组分,选择性高达近80%,创国际新高;而副产物甲烷的选择性则小于1%。


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