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二氧化碳340℃一步“变”汽油

2017年06月15日 来源:文汇报

二氧化碳转化成的液体燃料看上去清澈透明。记者许琦敏摄

把生就一副惰性的温室气体二氧化碳直接变成汽油一样的液体燃料?这可是化工业界花了二三十年,也没实现的梦想。如今,这个梦想被来自中国科学院高等研究院和上海科技大学的专家实现了。北京时间6月12日23时,国际著名学术期刊《自然-化学》发表了这个既能减少二氧化碳排放,又能增加绿色能源的新成果。

二氧化碳是最主要的温室气体,我国是二氧化碳排放大国,正面临严峻的减排压力。可同时,二氧化碳也是自然界大量存在的“碳源”化合物,若能借助清洁能源,比如太阳能、风能、核能等,从水中获得廉价的氢气,再让二氧化碳与氢气变成有用的化学品或燃料,则可同时得到“一石三鸟”的好处——解决大气中二氧化碳浓度增加导致的环境问题,减少人类社会对化石燃料的过度依赖,同时这也为可再生能源的存储提供一种途径。

汽油和航空煤油等烃类化合物是重要的运输燃料,在世界范围内应用广泛、具有很高的经济价值。著名诺贝尔化学奖获得者乔治·欧拉教授提出了“人工碳循环”的概念——若借助替代能源,将二氧化碳直接转化为液体燃料,可使整个碳循环更加有效。

然而,由于二氧化碳分子的化学惰性,让它变成甲醇、甲烷、一氧化碳等小分子很容易,可要变成含有更高能量的高碳化合物,比如乙醇、汽油等,就非常困难。“如果耗费很多能量,才能把二氧化碳变汽油,就不值得了。”中科院高研院院长助理魏伟说,因为科学家已经成功通过三步化学反应,将二氧化碳变成汽油,可成本太高,根本不适合产业化。

在高研院对面的上海科技大学物质学院,有很多国际著名的材料学教授,他们在基础研究领域有着强劲的科研实力。从催化剂原理研究入手,两个科研机构的科学家组成了中科院低碳转化科学与工程重点实验室,通过多年攻关,终于找到了一种催化剂,可以让二氧化碳变得活泼,乐于与同伴牵手,尤其是与氢原子牵手,变成与汽油主要成分相当的液体燃料。

完成这一高难度挑战的,是高研院的孙予罕、钟良枢和高鹏研究员团队。他们做出了奇特的双功能催化剂——先让氧化铟表面的高度缺陷结构来让二氧化碳变活泼,使它与氢原子牵手,再由分子筛让碳原子一个个连接起来,得到人们需要的汽油分子。

在实验室,记者看到了这种透明得像水一样的液体燃料。“只需添加一定的辅助物质,使它满足汽车发动机的性能要求,它就能当汽油用了。”魏伟说,由于找到了合适的催化剂,现在科学家可以在340℃的温和条件下,让二氧化碳和氢气一步到位,变成汽油——选择性超过80%,而产生甲烷等副产品不到1%,而以往同类技术所产生的甲烷超过10%。

目前,科学家已制备出了高机械强度的工业尺寸颗粒的催化剂,目前这套工艺已具备了示范应用的条件。由此,该工作也得到了杂志审稿人的高度评价,被认为是二氧化碳转化领域的一大突破,为二氧化碳转化为化学品及燃料提供了重要平台。

(原载于《文汇报》 2017-06-13 07版)

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