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能源联手催化 架起人工碳循环之桥

来源:中国科学报 作者:卜叶 人气: 发布时间:2021-11-01 09:42:53

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中国科学院大连化学物理研究所研发的千吨级“液态太阳燃料合成示范项目”在兰州新区通过科技成果鉴定。 中国科学院大连化学物理研究所供图

二氧化碳(CO2)是自然界大量存在的“碳源”,如果将CO2转化为有用的化学品或燃料,不仅能缓解碳排放带来的环境问题,还将成为非常理想的能源补充形式。这逐渐成为科研界的研究热点。

近日,在第20届全国催化学术会议上,中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿表示,能源化工和催化界专家应该抓住历史机遇,迎难而上,架起人工碳循环的桥梁,为早日实现碳中和目标献计献策。

知难而进

生物质在地下漫长转化中,变成煤、石油、天然气,这些能源物质经过化学或生物转化工程,成为人类需要的燃料、化学品。现在,越来越多的科研人员希望生物质经过化学或生物转化过程直接生成燃料、化学品,加快自然界的碳循环。

但由于CO2的分子惰性,此前国际上的研究都需要通过多个步骤、利用多个催化剂,才能实现从CO2到汽油的转变。尤其将CO2直接合成高碳烃类化合物的研究较少,效率不高且稳定性不好。

中国科学院院士、复旦大学教授赵东元表示,能源转化是社会发展的基础,CO2的转化并不难,难在如何快速、高效地转化为人类需要的碳氢化合物。

在CO2高效活化转化领域,中国科学院上海高等研究院研究员孙予罕团队做了大量研究。他表示,开发新型纳米催化剂和专用反应器是实现大规模CO2重整制合成气的关键。与此同时,这一过程还面临过程积碳与催化剂活性组分矛盾;催化剂积碳、活性组分烧结、反应机理、速控步骤、积碳规律等科学问题;过程工艺要求与催化剂操作空间矛盾的工程挑战;强吸热和反应管材使用温度矛盾的技术难题等。

除了技术研究难点,武汉理工大学教授苏宝连表示,世界各国都面临实现碳中和的问题,但我国在实现碳中和前,还需要经过碳达峰阶段,时间紧、任务重,能源化工界科研人员需要做的技术准备和研究更多。

抓住耦合新趋势

在人类为如何消耗CO2而忧心时,自然界的植物却在常温常压下生产出糖类等有机物。

“与工业生产需要高温高压等苛刻条件不同,生物体的化学反应基本都在自然环境下悄无声息地进行,值得人类学习。”苏宝连说,推动实现能源革命、催化革命,将非热力学过程用在催化过程中,让化学和生物学反应过程耦合起来,向自然学习,同时加快自然界碳循环的效率是方法之一。

目前,国内已经出现一些“道法自然”的有益尝试,其中李灿团队研发的“液态阳光”技术,利用太阳能将CO2转化成甲醇等化学品,并完成工业化试验。

不可否认,发电行业排放了大量CO2,化工与发电如何耦合,让CO2就地收集、转化,也是研究难题。

此外,与会专家纷纷畅想“以后的煤化工可能就在水泥厂、炼钢厂旁边”,化工与高耗能、高排放产业联动,转“高”为“低”;吸热与放热反应耦合,最大限度降低能源消耗。

实现多重耦合,离不开顶层设计。会上,中国工程院院士刘中民多次强调“全国一盘棋”,但中国地域辽阔,各地能源利用现状和优劣势不同,“下棋”的规则制定还需时间。

中国科学院院士、华东师范大学教授何鸣元有60余年石油化工行业的工作经历,他表示,企业非常希望跟高校、科研院所合作,现阶段就是要加强这种交往沟通。

学界要“现实”一点,研究界要接地气一点,产业界要宽容一点,不能急功近利,这样耦合就会快一点。

凝练科学问题

有些催化剂在实验室“表现”很好,但是到工业应用环节就会出现问题;同时,反应副产物的大量、快速堆积,也让反应面临随时中止的尴尬局面。

曾推动催化剂产业化应用的浙江工业大学教授刘化章表示,要实现工业化,高质量、大规模制备催化剂是关键。此外,工业放大过程往往需要反复调试,耗时数年是常态。“此前,我所在的团队花费7年时间才成功实现一款催化剂的工业放大,其间团队不断奔走于试验现场和实验室,耗费心血无数。”刘化章说。

“当前,诸多催化剂需要产业化应用尝试,此外不少现行反应流程也存在改进空间。”刘化章说,“突破产学研联系不紧密难题,突出各自长板、用合作弥补各自短板是当务之急。”

对此,中国石化石油化工科学研究员院长李明丰深有感触,他更回忆起指导学生产业化的情景。当时学生发现甘油黏度大,便往其中加水,一下子解决了黏度问题。但李明丰当即指出,“这一做法完全未考虑实际应用的能耗问题,是不具有现实意义的。”

“如果研究跟企业生存发展关系密切,企业就会感兴趣。”李明丰说。但企业采用新产品、新工业需要巨额投入,面临巨大风险,科研人员要协助产业界降低、规避风险。

与会专家纷纷表示,追热点的研究往往并不能解工业界燃眉之急。

孙予罕表示,考评指标是“指挥棒”,指挥棒指向SCI,还是指向解决现实问题,将直接影响科研走向。

“对现有技术不了解,就很难有所突破、推倒重来。科研人员必须加强与全产业链的沟通,洞悉现有科学技术的不足,研究‘真’问题。贴近实际需要,凝练出清晰的科学问题。”何鸣元说。

但他同时指出,这并不意味着所有科研人员都要从事与产业相关的研究,前瞻布局研究也很关键,学界要做好研究布局。

(编辑:逍遥客)

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