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天津大學:“人工樹葉”讓二氧化碳變廢為寶
2019-07-29 科技日報

  “二氧化碳分子式的排列就像兩個人緊緊拉著手,這種結構讓二氧化碳分子極具化學惰性。我們要做的就是強迫它在相對溫和的條件下與別的物質發生反應,把它變廢為寶。”在天津大學化工學院鞏金龍教授眼里,如何催化“懶惰”的二氧化碳是實現其變廢為寶的關鍵。

  在過去3年中,鞏金龍團隊在國家重點研發計劃項目的支持下,通過深入研究二氧化碳化學催化轉化過程,突破了二氧化碳資源化所面臨的能耗高、效率低、產品附加值低等瓶頸問題,為其轉化利用技術的大范圍推廣奠定了科學基礎,研究成果處于世界領先水平。

  “零排放”轉化:最難也是標準最高的路

  全世界每天有大量二氧化碳被排放到大氣中,資源化高效利用是實現減排的重要途徑,同時也是一個世界性難題。一直以來,我國使用的常規二氧化碳轉化技術都需要高溫、高壓和催化劑,獲取這些條件離不開能源的使用。在我國以煤炭為主的能源背景下,傳統技術會導致額外的二氧化碳的排放。

  “不能在轉化過程中產生新的二氧化碳,否則就成了拆東墻補西墻。轉化得算總賬,轉化量大于排放量才劃算,我們的目標是零排放,讓二氧化碳實現凈轉化。”鞏金龍團隊一開始就選擇了一條最難的、也是標準最高的道路。

  二氧化碳轉化的難度在于,其分子結構極其穩定,轉化需要注入很高的能量,且二氧化碳轉化的路徑復雜,轉化后產物眾多、純度不佳。因此轉化路徑和催化劑的選擇極其重要。

  鞏金龍團隊把目光聚焦到太陽能。“太陽能是自然界取之不盡用之不竭的綠色能源。”鞏金龍說,他們想到了樹葉的光合作用,一片樹葉通過光合作用,吸收光能,把二氧化碳和水轉變為富能的有機物,同時釋放氧氣。但是樹葉的能量轉化效率太低了,只有0.1%—1%。“我們要做的催化劑就像是一片能量轉化效率是普通樹葉百倍的人工樹葉。”利用太陽能,人工樹葉在催化劑的作用下把水和二氧化碳高效地轉化為甲醇、甲烷等含碳分子,直接就可以作為燃料再次利用。

  上萬次實驗實現“人工樹葉”設想

  要實現“人工樹葉”的設想,需要建立新型二氧化碳催化轉化反應體系,找到更高效的催化劑。然而這種開創性的研究實在太前沿。回憶起最初的研究,鞏金龍感慨地說:“我們的研究完完全全是從零開始的。”

  從0到1的轉變是場異常艱辛的跋涉。首先,進行實驗的設備沒有現成的商業化裝置可以購買,全靠研究團隊自己探索設計開發。從繪圖設計,到材料、工具的選擇,到最終動手安裝都是靠科研人員自己完成。其次,選擇哪種催化劑更高效,也全靠摸索著嘗試,實驗失敗幾乎成了常態。

  “雖然沒仔細統計過,但是不夸張地說,我們進行了上萬次實驗,失敗、總結、調整方案,而后再進行實驗。那段時間幾乎每天都這樣周而復始循環地工作著。”鞏金龍回憶說。

  在研發過程中,鞏金龍團隊還面臨著來自美國和日本同行的激烈競爭。在這種壓力和動力下,團隊的科研人員每天都在和時間賽跑。

  最終他們經過三年多的研究,實現了利用太陽能、氫能等綠色能源,在溫和條件下進行二氧化碳的高效轉化,建立了新型的“光電催化二氧化碳還原”“二氧化碳加氫還原”途徑,打通了從二氧化碳到液體燃料和高附加值化學品的綠色轉化通道,實現了將二氧化碳還原為甲醇和其他碳氫燃料的新突破。在轉化過程中,其含碳產物的產率高達92.6%,其中甲醇的選擇性為53.6%,達到世界領先水平。相關研究成果作為封面熱點論文,在《德國應用化學》《能源與環境科學》等國際知名期刊上發表。

  二氧化碳礦化效率為世界最高水平

  在基礎性研究走在前沿的同時,鞏金龍團隊也致力于二氧化碳礦化轉化等實際應用方面的研究。鞏金龍教授幽默地說:“我們的研究不能都這么高冷,也要接地氣呀。”

  這個“接地氣”的研究就是針對目前二氧化碳轉化過程經濟性不佳的狀況,通過“離子液體協同催化轉化”“非堿性礦礦化利用”等措施,使用更高效的催化劑,制備出高附加值的聚碳酸酯和鈦白粉等精細化學品,為二氧化碳礦化轉化的產業化應用奠定基礎。

  鞏金龍介紹,我國目前每年有2000萬噸含鈦、鋁等成分的煉鋼高爐渣無法得到利用。他們的技術可以在礦化固定二氧化碳的同時,高效回收鈦、鋁等金屬元素,而礦化過程中得到的高純度鈦白粉可以應用于染料制作,實現了高爐渣的資源化充分利用。目前,這項技術的二氧化碳礦化效率達到了200公斤/噸(非堿性礦),為世界最高水平。如今,研究團隊正在開展年處理300噸含鈦高爐渣制備高純度鈦白粉的擴大試驗。(陳 曦)

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