二氧化碳：借材料化學突破創(chuàng)造新價值

“接下來的100年里，地球氣溫將上升2℃~4.5℃，這主要是人為排放二氧化碳（CO2）的緣故?！眳⒓拥诙没瘜W科學與社會高峰論壇的科學家們表示，盡管碳捕獲和儲存（CCS）系統(tǒng)有助于減少CO2排放，但目前在商業(yè)上CO2還無法被有效地固定。不過，材料化學研究能夠開發(fā)新的技術，把廢棄CO2變?yōu)橛袃r值的產品。

碳中和生產能源可減排

《化學，為了可持續(xù)發(fā)展的全球社會》白皮書認為，用CCS技術來固定CO2，可將來自燃煤發(fā)電廠的排放量減少80％~90％。不過，僅使用CO2固定技術，仍不足以實現(xiàn)全球減排的目標。而材料化學在這個領域可以做很多工作，并能提供地質儲碳的替代方案。譬如，發(fā)展可替代的碳中和方法生產能源以減少CO2排放，將CO2制成燃料或作為化工產業(yè)鏈中有價值的產品等。這將減少人類對化石燃料的依賴，并可避免碳固定技術潛在泄漏等問題。

另外，以流體形式存在的超臨界CO2，已經(jīng)規(guī)?；米骷兓^程的溶劑。將超臨界CO2廣泛用于工藝過程，可以減少化學反應對傳統(tǒng)化石燃料源溶劑的需求。材料化學提供的這些方案是減少全球CO2排放戰(zhàn)略的組成部分，它能創(chuàng)造許多工作機會，而且無需依賴自然資源。

商業(yè)化捕集利用可期

各國政府目前正致力于建立把CCS技術應用于燃氣和燃煤發(fā)電廠的工業(yè)規(guī)模示范項目。白皮書指出，理想的CCS系統(tǒng)具有節(jié)能和高性價比特點，它包括捕獲和分離CO2的材料、工藝過程和技術。

目前，已經(jīng)成熟的碳捕獲技術需要消耗大量能源和原材料，為捕獲的CO2除去雜質更需要高昂的成本。對此，專家提出下一代CCS系統(tǒng)必須同時適用于高濃度、固定的碳源，或低濃度、移動的碳源。此外，從CO2中除去雜質的新技術，也應該由豐產元素生產的強韌、耐雜質的材料和膜等組成。

現(xiàn)在儲存在地下的CO2也許將來可作為有價值的產品被開采出來。一旦有了合適的轉化技術，就可以對這些儲存的CO2加以利用。材料化學家將研究和開發(fā)一系列CO2固定和純化的新技術，并幫助開發(fā)商業(yè)上切實可行的CO2儲存技術。

有望作原料納入供應鏈

化學家們表示，盡管CO2通常不起化學反應，但在催化劑存在的條件下，有可能與其它化合物形成化學儲能體系或有用的新材料。目前石油產量的5%~10%都用于制成化學品，比如塑料、藥物和其他消費品等。隨著材料化學和催化技術的研究突破，有可能把CO2當作原料納入化學品供應鏈中。

在白皮書中列舉了這樣的例子：CO2可以和氫氣結合形成甲醇這種便于運輸?shù)囊后w，再用沸石催化劑將其轉變?yōu)槠?。使用基于豐產元素的催化劑、非化石原料和可持續(xù)供應的氫，可以實現(xiàn)甲醇生產技術的商業(yè)化，并為很多大規(guī)模使用的商品提供大量原料。通過改造現(xiàn)有工業(yè)設備，這樣的工藝過程幾年內就可以推廣。

此外，把CO2和水有效地轉化為甲烷氣，是一種潛在的儲能方案。甲烷是比甲醇能效更高的燃料，以CO2為原料進行轉化還可降低對天然氣資源的依賴，并有助于中期內向使用低排放、清潔的燃料過渡。目前，已經(jīng)有了借助氫將CO2轉化為合成氣的催化工藝。白皮書預計，通過設計合適的流程，使用氫氣或其他含氫材料大規(guī)模地把CO2轉化成合成氣，將在短期內實現(xiàn)。

白皮書指出，現(xiàn)在已經(jīng)有了將CO2小規(guī)模轉化成聚合物的技術，并且?guī)啄陜瓤梢詳U大應用的范疇，而這需要科學家對現(xiàn)有合成聚合物材料的設備進行改造。對于材料化學而言，則需要針對CO2的化學反應開發(fā)和優(yōu)化高活性、高選擇性、可持續(xù)和高效的催化劑，并設計和優(yōu)化電催化或光催化方法，將CO2納入供應鏈中。

來源：中國化工報 作者：行者

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