突破！我國科學(xué)家首創(chuàng)二氧化碳一步變乙醇

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5月16日，記者從江南大學(xué)獲悉，我國科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳一步近100%轉(zhuǎn)化為乙醇。該校劉小浩教授團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的催化劑設(shè)計(jì)策略，通過結(jié)構(gòu)封裝法，構(gòu)筑雙鈀位點(diǎn)納米“蓄水”膜反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)二氧化碳在溫和條件下連續(xù)流一步無副反應(yīng)高效穩(wěn)定制乙醇。相關(guān)研究成果5月10日在《美國化學(xué)會·催化》上發(fā)表。

乙醇，俗稱酒精，既是重要的基礎(chǔ)化學(xué)品，又與人們的日常生活息息相關(guān)，可用于制造飲料、消毒劑、車用燃料。同時，乙醇還可以轉(zhuǎn)化為乙烯和下游高價(jià)值化工產(chǎn)品。在乙醇制備方面，工業(yè)上一般采用糧食發(fā)酵法和煤基乙醇技術(shù)。糧食發(fā)酵法制備乙醇不可避免出現(xiàn)“與人爭糧”的局面，煤基乙醇工藝路線復(fù)雜，且制造乙醇過程中產(chǎn)生大量的二氧化碳。

“利用二氧化碳作為碳源一步直接合成更高價(jià)值的乙醇，不僅可以避免消耗糧食和煤炭資源，還能降低二氧化碳排放。這一技術(shù)難題的解決將為二氧化碳大規(guī)模高值利用提供巨大機(jī)遇。”論文通訊作者劉小浩告訴科普時報(bào)記者。

近年來，科學(xué)家已開發(fā)多種途徑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇，比如光催化、電催化，以及間歇釜熱催化。相較于上述技術(shù)途徑，在連續(xù)流固定床反應(yīng)器中，由于便捷的物質(zhì)流和能量流管理，更容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。劉小浩進(jìn)一步解釋說，但目前的技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)可控精準(zhǔn)增碳定向生成乙醇，易產(chǎn)生大量低價(jià)值的副產(chǎn)物。

此次，研究人員創(chuàng)新性地采用“結(jié)構(gòu)封裝法”精準(zhǔn)構(gòu)筑“雙鈀催化位點(diǎn)”納米“蓄水”膜反應(yīng)器，合成的催化劑結(jié)構(gòu)類似于一個膠囊，膠囊內(nèi)部封裝了二氧化鈰載體分散的雙鈀催化劑。膠囊的殼層具有高選擇性，疏水修飾后保證內(nèi)部生成的水富集而產(chǎn)物乙醇可以溢出，其中的水環(huán)境可以穩(wěn)定雙鈀活性位點(diǎn)。在溫和條件下，即約30個大氣壓240攝氏度，該催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳近100%選擇性高效穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為乙醇。

劉小浩介紹說，以往研究中采用的各種熱催化轉(zhuǎn)化催化劑，特別是在連續(xù)流反應(yīng)器中，無法實(shí)現(xiàn)有效增碳合成單一高碳產(chǎn)物，主要是無法實(shí)現(xiàn)中間物種的定向轉(zhuǎn)化和碳鏈增長的精確可控。“本次研究基于我們團(tuán)隊(duì)在前期對鈀—二氧化鈰體系在二氧化碳加氫反應(yīng)中的研究，包括氧空位、活性中心構(gòu)型、反應(yīng)裝置類型等，構(gòu)筑的‘雙鈀活性位點(diǎn)’具有獨(dú)特的幾何和電子結(jié)構(gòu)，其鄰近的鈀位點(diǎn)和富電子特性有利于促進(jìn)中間物種碳—氧鍵解離和隨后的碳—碳偶聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫定向生成單一高價(jià)值產(chǎn)物乙醇。”

劉小浩表示，催化劑合成工藝和催化反應(yīng)路線簡單，有大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用前景。“我們未來將繼續(xù)推進(jìn)催化劑在實(shí)際應(yīng)用過程的工業(yè)化放大，以及與碳捕集和綠氫生產(chǎn)耦合，實(shí)現(xiàn)二氧化碳資源的高價(jià)值利用。”

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