中國儲能網(wǎng)訊：二氧化碳是當(dāng)今最主要的溫室氣體，全球各國都面臨著嚴(yán)峻的減排壓力。與此同時(shí)，二氧化碳也是一種“碳源”，如何借助科技手段將其“變廢為寶”，世界各國的科研人員以此為課題進(jìn)行攻關(guān)研究，尋找對策。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授研究團(tuán)隊(duì)近日提出一種新型二氧化碳加氫催化機(jī)理，提高了貴金屬原子催化劑的利用率。該研究成果作為封面文章發(fā)表在最新一期的國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》上。
日前，《中國能源報(bào)》專訪了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授，深入了解該項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)對二氧化碳催化加氫反應(yīng)的意義。
中國能源報(bào)：目前二氧化碳制甲醇工業(yè)化現(xiàn)狀如何？
曾杰：1994年的諾貝爾化學(xué)獎得主喬治·奧拉在2006年出版一本名為《跨越油氣時(shí)代：甲醇經(jīng)濟(jì)》的著作，其中提出了二氧化碳加氫制取可再生低碳甲醇的設(shè)想。雖然二氧化碳?xì)浠磻?yīng)已有百年歷史，但也是近幾年才有了一些突破性進(jìn)展。
目前，在世界范圍內(nèi)二氧化碳加氫制甲醇在冰島實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，其他國家和地區(qū)大多處在實(shí)驗(yàn)室或中試階段。據(jù)了解，2012年冰島國際碳循環(huán)公司甲醇產(chǎn)能達(dá)到1300噸，2014年甲醇產(chǎn)能擴(kuò)展到4000噸。該公司利用當(dāng)?shù)刎S富的地?zé)豳Y源發(fā)電，通過電解水制氫將工業(yè)廢氣二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲醇液體燃料。然而，二氧化碳制甲醇的催化劑還存在轉(zhuǎn)化率和選擇性較差的問題。為此國內(nèi)外一些企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)，比如丹麥Haldor Topse、日本關(guān)西電力公司、三菱重工、德國魯奇公司（Lurgi）、韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）等均在攻關(guān)高效催化劑及相應(yīng)技術(shù)。而在我國，二氧化碳制甲醇的過程大多還在實(shí)驗(yàn)室階段，部分研究院所在進(jìn)行中試。
中國能源報(bào)：課題組開展二氧化碳制甲醇研究是基于怎樣的考慮？
曾杰：我們課題組自從2012年建組以來，就開始在二氧化碳加氫領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)布局，包括原子尺度精準(zhǔn)調(diào)控催化劑活性位點(diǎn)、催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、原位實(shí)驗(yàn)裝置搭建等，在近兩年取得了突破性進(jìn)展。甲醇是二氧化碳加氫過程產(chǎn)生的一種結(jié)構(gòu)最簡單的液體燃料，由于甲醇是一種“平臺分子”，也就是說甲醇本身能夠用作液體燃料，也可以用作工業(yè)原料生產(chǎn)其他具有高附加值的產(chǎn)物，比如甲醛、醋酸、甲基丙烯酸甲酯等。因此，制備甲醇是我們目前實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)方向。
二氧化碳本身就可以作為一種碳源載體。通常情況下，二氧化碳作為化石能源燃燒的產(chǎn)物，大量排放會對生態(tài)環(huán)境造成壓力。如果能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體燃料以及其他高附加值化學(xué)品，就能夠逐步取代傳統(tǒng)化石能源，可以說是“一石二鳥”，從“源頭”到“排放”綜合解決能源和環(huán)境雙重問題。
中國能源報(bào)：從學(xué)術(shù)角度來講，該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的創(chuàng)新點(diǎn)是什么？有什么實(shí)際應(yīng)用？
曾杰：這項(xiàng)研究的成果突破主要還是在催化反應(yīng)機(jī)理研究方面，也就是提出了“單中心近鄰原子協(xié)同催化”這一新概念，突破了人們對單原子之間互不干擾的傳統(tǒng)認(rèn)識。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對今后催化劑設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。在反應(yīng)中，催化劑的活性中心原子既需要相互靠近產(chǎn)生協(xié)同作用，又需要保持一定距離來保證活性。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，兩個近鄰鉑原子的催化活性遠(yuǎn)高于兩個孤立鉑原子的活性之和，協(xié)同催化會使二氧化碳加氫反應(yīng)更加高效。通俗來講，就是發(fā)現(xiàn)了讓催化劑達(dá)到“1+1>2”效果的方法。
從材料創(chuàng)新的角度來看，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可以幫助科學(xué)工作者優(yōu)化催化劑組成，從機(jī)理上找到提高催化效率的方法。二氧化碳加氫催化制甲醇的反應(yīng)中，為了降低活性貴金屬催化劑的成本，可以將催化劑以單原子的形式分散，從而使貴金屬原子利用率達(dá)到100%。原有的合成方法制備的單原子催化劑負(fù)載量一般較低，而應(yīng)用到工業(yè)中金屬催化劑負(fù)載量需要達(dá)到5%。在這個實(shí)驗(yàn)中，我們在保持貴金屬原子級別分散的同時(shí)，將鉑的負(fù)載量提高到7.5%，為單原子催化劑從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)界提供了可能。
中國能源報(bào)：二氧化碳制甲醇要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，還面臨哪些難點(diǎn)？
曾杰：二氧化碳加氫反應(yīng)的難點(diǎn)目前主要在技術(shù)原理上。首先，二氧化碳分子本身十分穩(wěn)定，活化二氧化碳較為困難，需要合適的反應(yīng)溫度、壓強(qiáng)和催化劑來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)。二氧化碳與氫氣反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率最高僅為30%左右，還需要進(jìn)一步提高。其次，從反應(yīng)來看，加氫反應(yīng)的產(chǎn)物分布廣，包括有一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸和汽柴油等，這也就意味著反應(yīng)選擇性不高。如果大規(guī)模用二氧化碳生產(chǎn)甲醇，就可能面臨著復(fù)雜反應(yīng)產(chǎn)物的分離工作，也就進(jìn)一步提高了成本。另外，二氧化碳制甲醇需要大量的氫氣，氫氣沒有大量天然的資源，因此也是需要解決的問題之一。
中國能源報(bào)：如何解決二氧化碳制甲醇這一工業(yè)過程的難點(diǎn)？
曾杰：針對二氧化碳分子難以活化的問題，目前進(jìn)行的催化劑研究就是其中一種解決方法。現(xiàn)在反應(yīng)條件能夠控制在30個大氣壓、200攝氏度左右，比較適中，單原子作為催化材料也能夠很好地活化二氧化碳分子，負(fù)載量也達(dá)到了工業(yè)實(shí)用性要求，理論上可以實(shí)現(xiàn)。
氫氣來源的問題可以通過合理選址，借鑒冰島國際碳循環(huán)公司使用地?zé)岬牟呗?，利用可再生能源電解水?shí)現(xiàn)。目前氫能利用也在不斷發(fā)展中，制氫方法有利用天然氣脫氫或電解水。以可持續(xù)的角度來看，在風(fēng)能、太陽光能、核能等可再生能源豐富的地區(qū)建設(shè)工廠，進(jìn)而電解水制氫是可行的大量提供氫氣的方法。
