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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?!痹諤旖虼笱Щぱг汗鵒淌諮劾?,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?!憊鵒哦右豢季脫≡窳艘惶踝钅訓?、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?!疤裟蓯親勻喚縟≈瘓∮彌喚叩穆躺茉??!憊鵒?,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%?!拔頤且齙拇呋輛拖袷且黃芰孔適瞧脹ㄊ饕棟儔兜娜斯な饕??!崩錳裟?,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?;匾淦鹱畛醯難芯?,鞏金龍感慨地說:“我們的研究完完全全是從零開始的?!?/p>

  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?!憊鵒匾淥?。

  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?!?/p>

  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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