发布机构: 发布日期: 2021-09-07 19:18:35

郭志强、魏学红:“碳达峰、碳中和”背景下二氧化碳转化利用的基础研究

2020年9月,我国提出了“力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的庄严承诺。在此背景下,二氧化碳捕集、利用和封存技术(Carbon Capture, Utilization and Storage,简称CCUS)作为限制二氧化碳排放的一种有效、可持续方法,逐渐受到人们的重视。然而由于缺乏有效的CO2转化途径,目前CO2经捕集后的主要去向一是直接利用于饮料、采矿等行业,二是地下填埋贮存,最终依然会排放进入大气,并不能从根本上解决“碳达峰、碳中和”问题。因此,如何直接利用二氧化碳或将其转化为更有价值的产品,成为了达成“二氧化碳减排战略”的一个重要组成部分。

众所周知,二氧化碳(CO2)作为一种储量丰富、安全、廉价易得、特殊的可再生资源,通过化学转化可实现对CO2的资源化利用,以获得高附加值的能源、材料及化工产品。因此自20世纪70年代中期以来,关于二氧化碳活化转化的研究一直是人们追求的热点,相关研究涉及到现代化学合成的各个领域,包括精细化学品、大宗化学、药物开发、生物基聚合物等。2019年5月,中科院上海有机化学研究所更是与山东潍焦集团首次将CO2成功应用于工业化甲酰化反应,实现了高纯二甲基甲酰胺(DMF)年产量超千吨的工业化生产,且无废固、废水排放,给CO2在化工行业的应用带来了新活力。

然而,在人们的研究过程中发现CO2在其化学转化中常表现为热力学稳定性和动力学相对惰性,且CO2化学转化产品结构单一、转化效率不高。因此迄今为止,除了Kolbe-Schmitt反应将CO2与苯酚转化为水杨酸,Bosch-Meiser反应利用CO2与氨制备尿素,以及通过CO2和环氧化合物反应合成新型聚碳酸酯和环状碳酸酯等少数反应商业化外,CO2真正被用于合成工业的反应寥寥无几。故加强二氧化碳资源化转化利用是一项长期的重要工作,而此项工作的重点则在于相关基础科学研究和技术的突破。基于此本文就“碳达峰、碳中和”背景下二氧化碳转化利用基础研究的未来发展提出了自己的一些观点和建议:

(1)应着力解决CO2的定向活化问题,努力寻找能实现CO2活化转化的过渡金属配合物。除此之外由于有机小分子也能够通过其自身的亲核端进攻二氧化碳的亲电中心碳,而使之弯曲活化,降低反应能垒,因此积极开展氮杂卡宾配体、脒类有机碱、磷叶立德、大位阻的路易斯酸碱对和离子液体等有机分子催化剂,实现温和条件下CO2的高效转化同样值得期待。

(2)应继续开展二氧化碳的还原官能化反应,通过分级还原的方式向二氧化碳分子注入不同的电子,从而得到多重还原态,进而转化为分子中的甲酰基、亚甲基、甲基等碳一单元,使二氧化碳的转化形式多样化;此外形成的碳一单元还可与含有N、O、S、C等杂原子的亲核试剂形成稳定的化合物,实现亲核试剂多样化;最后还原后的二氧化碳通过串联后续反应也可以完成相应的环化反应或多组分反应,使反应模式多样化。

(3)应积极探索新型的CO2催化转化途径,如开发具有可见光光催化活性催化剂,以实现利用人工模拟光合作用对CO2的绿色转化利用。利用光/电催化进行二氧化碳转化,不仅可以解决二氧化碳加氢反应中氢的来源问题,而且可利用光/电作为可再生能源,必将引起人们的广泛重视。

(4)应在科学基础上,寻找CO2相关的新反应和新催化剂,从分子水平上阐明CO2的反应机理,为工业化提供新的思路。主要反应包括乙烯和二氧化碳合成丙烯酸、碳氢键的直接羧化反应,以及一些目前催化性能较低或条件较苛刻的反应,如乙烯醚与CO2的共聚反应,CO2合成异氰酸酯的反应。

总体而言,增加产品的附加值是CO2化学转化的主要研究方向。我们相信随着对CO2活化转化原理以及CO2化学反应机理认识的不断深入,尚处于实验室研发阶段的CO2化学转化反应终将会实现工业化,有效助力“碳达峰、碳中和”目标的实现。

 

供稿人:郭志强   功能分子山西省重点实验室,山西大学副教授
     魏学红   功能分子山西省重点实验室,山西大学教授  

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