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神奇的转化:把温室气体二氧化碳变成汽油

经济日报 佘惠敏 2017-05-03 17:57:27

二氧化碳(CO2),一种主要的温室气体,被认为是全球气候变暖的罪魁祸首。近年来,由于碳排放政策影响,各国都在努力实现二氧化碳减排。

汽油,是全球用量最大的燃料之一。随着现代社会的发展,汽油不仅是一个国家的生产生活必需品,更是成为了许多普通老百姓每天都离不开的日常用品。

一个是导致气候变暖的温室气体,一个是人们日益依赖的宝贵能源,二者看似毫无关联,在科学家眼中却变得密不可分。

近日,中科院大连化物所孙剑、葛庆杰研究员团队发现了二氧化碳高效转化新过程,通过设计一种新型多功能复合催化剂,首次实现了CO2直接加氢制取高辛烷值汽油。该研究成果于5月2日在英国《自然—通讯》(Nature Communications)杂志上发表,相关过程和催化材料已申报多项发明专利,被同行誉为“CO2催化转化领域的突破性进展”。

在自然界中,植物从空气中吸收CO2,经光合作用转化为有机物和氧气,该过程缓慢,所以一直以来化学家们努力想通过化学方式回收利用CO2。如果以CO2作为原料生产汽油,将是一种潜在替代化石燃料的清洁能源策略,不仅可有效降低CO2造成的温室效应,还可减轻对传统化石能源的依赖。但CO2的活化与选择性转化面临巨大挑战。相比于更活泼的孪生兄弟一氧化碳,二氧化碳分子非常稳定,难以活化,与经典的费托合成路线相比,二氧化碳与氢分子的催化反应更易生成甲烷、甲醇、甲酸等小分子化合物,而很难生成长链的液态烃燃料。

针对上述问题,该团队创造性地设计了一种高效稳定的多功能复合催化剂,通过多活性位的协同催化作用,在接近工业生产的条件下,该催化剂实现了甲烷和一氧化碳的低选择性,烃类产物中汽油馏分烃的选择性达到78%,远超文献报道结果。而且,汽油馏分主要为高辛烷值的异构烷烃和芳烃,基本满足国V标准对苯、芳烃和烯烃的组成要求。该催化剂还具有较好的稳定性,可连续稳定运转1000小时以上,显示出潜在的应用前景。

与传统催化剂不同,该催化剂包含三种相互兼容、相互补充的活性位(Fe3O4、Fe5C2和酸性位)。CO2分子借助于精心构造的三组分活性位实现了“三步跳”的串联转化。CO2首先在Fe3O4活性位上经逆水气变换反应还原为CO;生成的CO在Fe5C2活性位上进行费托合成反应,转化为α-烯烃;随后,该烯烃中间物迁移到分子筛上的酸性位上,进行齐聚、异构化和芳构化等反应,选择性生成汽油馏分烃。对三活性位结构和空间排布的精准调控是实现CO2加氢制汽油的关键。

该技术不仅为CO2加氢制液体燃料的研究拓展了新思路,还可为间歇性可再生能源(风能、太阳能、水能等)的利用开辟新途径。这一新过程除可降低CO2排放外,还具有显著的经济效益。

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