新技术将二氧化碳变高值化“宝贝”

“生命之门”掌握在自己手中

当谈到二氧化碳(CO2)时，人们普遍认为它就像废弃的木头，不仅用处不大，而且是破坏气候和导致全球变暖的罪魁祸首之一。到目前为止，研究人员已经想出了许多方法来处理它，比如监禁它(固化并密封它)，把它放入水牢(钻入海底)，等等。然而，在中国科学院过程工程研究所的研究员张湘平看来，二氧化碳是一种好的原材料，便宜而且容易获得。十多年来，在张锁江院士的带领下，她的离子液体团队一直在思考如何高效转化和利用CO2变废为宝。

为了对付顽固的家伙，派活动家作为“说客”

二氧化碳的利用是一个重大的全球战略问题。欧盟2016年6月启动计划将二氧化碳利用作为主要研究方向；日本已经制定了二氧化碳利用规划路线图。中国国家发展和改革委员会和能源局将其列为行动计划中的一项关键研究任务。然而，由于活化困难、反应路径复杂、产物选择性低等问题，CO2分子的活化和转化已经成为国际公认的科学问题之一。

“二氧化碳是空气中的一种常见化合物，因此不容易转化和利用。我们知道CO2分子是由两个氧原子和一个碳原子通过稳定的双键连接而成的。很难切断它们之间紧密相连的碳氧双键并将其还原为氧和碳。”张湘平在接受《科技日报》记者采访时说。

张向平进一步解释说，CO2的直接破键活化需要高温高压，但如果能找到其他活性分子充当“说客”，如环氧化合物，CO2活化就能被诱导，使其转化更容易。此外，需要添加“介质”，即合适的催化剂，以促进CO2的有效转化。

在过去的十年里，经过大量的实验和探索，研究团队逐渐找到了一个不辱使命的高效“能人”——一种具有多活性位点的离子液体催化剂，它不仅能激活CO2的双键，而且能使与之反应的环氧乙烷变得活泼，更容易开环，使CO2和环氧乙烷一起反应合成重要的化工原料碳酸乙烯酯。

张湘平指出，该团队通过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和失活、催化剂回收困难、能耗高、影响产品质量等问题。

有许多巧妙的方法来提升有效利用的价值。

新技术让二氧化碳成为高价值的“宝贝”

不仅开发了高效催化剂，还需要与之匹配的反应器来提供合适的反应场所。

张湘平说:“按照反应-流动-传递的耦合规律，优化反应器内部组件，实现流场/温度场的均匀分布，创新开发了万吨固载离子液体气液固三相管式反应器。反应过程中迅速释放的热量可以尽快从系统中排出，使反应器不会超温，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络的优化整合，大大降低了能耗，显著提高了经济性，降低了设备投资。

“在技术方面，需要设计一个全过程来连接整个反应和分离过程，以从原料中获得最终合格的产品。”张向平告诉记者，“我们在整个过程中优化整合了材料和能源，大大提高了能耗、效率、经济性和产品质量，满足了企业和市场的需求。”

据报道，自2018年5月以来，在国家重点研发计划“煤的清洁高效利用与节能新技术”的支持下，中国科学院过程工程研究所牵头的“CO2高效合成重要化学品新技术”项目设计并合成了CO2羰基化反应中具有多活性位点的功能性离子液体催化剂，实现了CO2在温和条件下的高效转化。同时，制备了满足工业需要的羰基化催化剂，并建立了连续反应装置。根据碳酸乙烯酯的醇解反应，开发了一种高活性、低成本的催化剂，建立了10吨/年的醇解连续装置，并建立了1万吨工业试验装置。

开辟合成多种重要化学品的新途径

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。对收集的CO2进行高值化利用，不仅可以减少碳排放，缓解温室效应，还可以产生显著的社会和经济价值。

经过多年的不懈努力，中国科学院过程工程研究所离子液体团队通过催化剂的原始创新、反应器结构的优化和系统集成创新，开发出一条由CO2和高能物质环氧乙烷合成碳酸乙烯酯，再分别醇解生产碳酸二甲酯和乙二醇的新路线，形成了CO2温和转化为全原子利用的新技术。

就像变石为金一样，二氧化碳生产的产品都是高价值的“珍宝”，应用领域广泛，市场前景可观。它们在投入使用后，面临着经济效益差的挑战。

张湘平表示，在众多产品中，碳酸二甲酯主要用于合成重要有机化学品的中间体，被誉为21世纪绿色化学的“新基石”。它可广泛用于羰基化、甲基化、甲氧基化、羰基化、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行业的快速发展，对碳酸二甲酯的需求持续快速增长。中国预计2020年的需求量为400万吨，2030年将超过1000万吨。乙二醇是合成聚酯纤维和树脂的原料。中国的年需求量超过1400万吨，而对外国的依赖超过60%。

业内人士认为，与CO2直接转化为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、产业化前景广阔等明显优势。该项目的实施将有助于中国抢占CO2利用技术的国际制高点，解决和突破中国煤炭清洁高效利用的瓶颈问题，开辟CO2高值化利用的新途径，具有重要的战略意义。