「變廢為寶」——二氧化碳直接合成液體燃料

當減緩氣候變化日益成為人類社會共同面臨的重大命題，世界各國都在努力探索減少溫室氣體排放的技術創新。作為主要溫室氣體的CO2，也是一種自然界大量存在的「碳源」化合物，若能藉助太陽能、風能、核能等替代能源電解水製得的氫氣，將CO2轉化為有用的化學品或燃料，不僅能實現溫室氣體的減排，而且有助於解決化石燃料的過度依賴以及可再生能源的存儲問題，兼具經濟和環境效益。汽油等烴類化合物是重要的運輸燃料，在世界範圍內應用廣泛，具有很高的經濟價值。目前，CO2資源化利用的研究主要集中在甲醇、甲酸、甲烷和一氧化碳等簡單小分子化合物的合成。然而，由於CO2分子的化學惰性，很難將其轉化為含有兩個碳原子及以上的化合物。

將CO2直接合成高碳的大分子化合物的研究較少，主要是缺乏有效的催化劑體系。現有的催化劑體系效率不高，且甲烷等低附加值副產物選擇性偏高，穩定性也不夠好。中科院低碳轉化科學與工程重點實驗室暨上海高研院-上海科技大學低碳能源聯合實驗室的孫予罕、鍾良樞和高鵬團隊成功地設計出了金屬氧化物/分子篩雙功能催化劑，該雙功能催化劑可「身兼數職」，省卻了中間環節，幫助二氧化碳「一步到位」，直接轉化為汽油（見圖1）。金屬氧化物表面的高度缺陷結構可以讓CO2分子變得活潑，使其與氫氣反應，形成甲醇等含氧中間體的同時又不會與氫氣過度反應，從而降低了副產物甲烷的選擇性。另一方面，分子篩的存在讓中間體得以直接發生偶聯反應得到汽油烴類組分，也就是我們所說的汽油。催化劑的具體效果如何，一組數據可以加以說明：烴類產物中汽油組分（碳數為5~11的烴類化合物）的選擇性高達近80%，而副產物甲烷的選擇性小於1%。研究還發現，催化劑功能組分的選擇以及結構的精準調控，對該過程的效率起著至關重要的作用。

此外，該技術工業化進程中必然要涉及催化劑的放大，工業催化劑不僅要求具有一定化學組成和雜質限度，還要求具有一定形狀、顆粒大小、強度、比表面積等，單就尺寸來講通常是實驗室的成千上萬倍。如何得到工業要求的顆粒催化劑，同時又能保證原有的催化活性、選擇性和壽命，則是該技術走向實際應用過程中需要解決的另一個關鍵問題。該研發團隊已完成了催化劑製備放大並得到高機械強度的工業尺寸顆粒催化劑，在工業反應條件下其性能與放大前類似且穩定性能良好，因而，該催化劑體系具備了示範應用的條件。

上述結果於6月12日在《自然-化學》（Nature Chemistry）雜誌上在線發表。該工作得到了審稿人的高度評價，被認為是CO2轉化領域的一大突破，為CO2轉化為化學品及燃料提供了重要的平台。

當然，CO2的利用必然要與替代能源相結合，這樣才能真正做到CO2的凈減排。另外，目前氫氣製備成本較高，在氫氣資源過剩的局部地區，或者未來大規模使用風能、太陽能等能源廉價電解水產生氫氣時，二氧化碳直接制汽油的技術具有廣泛的應用前景。

此次在《自然-化學》雜誌上發表成果，是該實驗室繼去年在《自然》雜誌上發表合成氣直接制烯烴的研究成果后，再次在國際頂級雜誌上發表的在低碳轉化與利用方面的重要突破，去年的上述成果也入選了上海市2016年十大科技事件。這些成果的陸續產出，也是中科院上海高等研究院與上海科技大學等在深度開展科教融合、著力推進張江綜合性國家科學中心建設取得成效的階段性標誌。

圖1 基於雙功能催化二氧化碳直接制液體燃料

作者：高鵬 鍾良樞

原載於：科學大院