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“二氧化碳分子式的排列就像兩個人緊緊拉著手,這種結(jié)構(gòu)讓二氧化碳分子極具化學(xué)惰性。我們要做的就是強(qiáng)迫它在相對溫和的條件下與別的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),把它變廢為寶。”在天津大學(xué)化工學(xué)院鞏金龍教授眼里,如何催化“懶惰”的二氧化碳是實(shí)現(xiàn)其變廢為寶的關(guān)鍵。
在過去3年中,鞏金龍團(tuán)隊(duì)在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下,通過深入研究二氧化碳化學(xué)催化轉(zhuǎn)化過程,突破了二氧化碳資源化所面臨的能耗高、效率低、產(chǎn)品附加值低等瓶頸問題,為其轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的大范圍推廣奠定了科學(xué)基礎(chǔ),研究成果處于世界領(lǐng)先水平。
“零排放”轉(zhuǎn)化:最難也是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)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(guī)二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)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(tǒng)技術(shù)會導(dǎo)致額外的二氧化碳的排放。
“不能在轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生新的二氧化碳,否則就成了拆東墻補(bǔ)西墻。轉(zhuǎn)化得算總賬,轉(zhuǎn)化量大于排放量才劃算,我們的目標(biāo)是零排放,讓二氧化碳實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)化。”鞏金龍團(tuán)隊(duì)一開始就選擇了一條最難的、也是標(biāo)準(zhǔn)最高的道路。
二氧化碳轉(zhuǎn)化的難度在于,其分子結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定,轉(zhuǎn)化需要注入很高的能量,且二氧化碳轉(zhuǎn)化的路徑復(fù)雜,轉(zhuǎn)化后產(chǎn)物眾多、純度不佳。因此轉(zhuǎn)化路徑和催化劑的選擇極其重要。
鞏金龍團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)變?yōu)楦荒艿挠袡C(jī)物,同時釋放氧氣。但是樹葉的能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“人工樹葉”設(shè)想
要實(shí)現(xiàn)“人工樹葉”的設(shè)想,需要建立新型二氧化碳催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)體系,找到更高效的催化劑。然而這種開創(chuàng)性的研究實(shí)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(zhuǎn)變是場異常艱辛的跋涉。首先,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)備沒有現(xiàn)成的商業(yè)化裝置可以購買,全靠研究團(tuán)隊(duì)自己探索設(shè)計(jì)開發(fā)。從繪圖設(shè)計(jì),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(shí)驗(yàn)失敗幾乎成了常態(tài)。
“雖然沒仔細(xì)統(tǒng)計(jì)過,但是不夸張地說,我們進(jìn)行了上萬次實(shí)驗(yàn),失敗、總結(jié)、調(diào)整方案,而后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。那段時間幾乎每天都這樣周而復(fù)始循環(huán)地工作著。”鞏金龍回憶說。
在研發(fā)過程中,鞏金龍團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的科研人員每天都在和時間賽跑。
最終他們經(jīng)過三年多的研究,實(shí)現(xiàn)了利用太陽能、氫能等綠色能源,在溫和條件下進(jìn)行二氧化碳的高效轉(zhuǎn)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(xué)品的綠色轉(zhuǎn)化通道,實(shí)現(xiàn)了將二氧化碳還原為甲醇和其他碳?xì)淙剂系男峦黄?。在轉(zhuǎn)化過程中,其含碳產(chǎn)物的產(chǎn)率高達(dá)92.6%,其中甲醇的選擇性為53.6%,達(dá)到世界領(lǐng)先水平。相關(guān)研究成果作為封面熱點(diǎn)論文,在《德國應(yīng)用化學(xué)》《能源與環(huán)境科學(xué)》等國際知名期刊上發(fā)表。
二氧化碳礦化效率為世界最高水平
在基礎(chǔ)性研究走在前沿的同時,鞏金龍團(tuán)隊(duì)也致力于二氧化碳礦化轉(zhuǎn)化等實(shí)際應(yīng)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(zhuǎn)化過程經(jīng)濟(jì)性不佳的狀況,通過“離子液體協(xié)同催化轉(zhuǎn)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(xì)化學(xué)品,為二氧化碳礦化轉(zhuǎn)化的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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(shù)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(yīng)用于染料制作,實(shí)現(xiàn)了高爐渣的資源化充分利用。目前,這項(xiàng)技術(shù)的二氧化碳礦化效率達(dá)到了200公斤/噸(非堿性礦),為世界最高水平。如今,研究團(tuán)隊(duì)正在開展年處理300噸含鈦高爐渣制備高純度鈦白粉的擴(kuò)大試驗(yàn)。
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