催化加氢制甲醇让二氧化碳“变废为宝”

 中国能源报实习记者 李丽旻 二氧化碳是当今最主要的温室气体，全球各国都面临着严峻的减排压力。与此同时，二氧化碳也是一种“碳源”，如何借助科技手段将其“变废为宝”，世界各国的科研人员以此为课题进行攻关研究，寻找对策。

　　中国科学技术大学曾杰教授研究团队近日提出一种新型二氧化碳加氢催化机理，提高了贵金属原子催化剂的利用率。该研究成果作为封面文章发表在最新一期的国际著名学术期刊《自然·纳米技术》上。

　　日前，《中国能源报》专访了中国科学技术大学曾杰教授，深入了解该项新发现对二氧化碳催化加氢反应的意义。

　　中国能源报：目前二氧化碳制甲醇工业化现状如何？

　　曾杰：1994年的诺贝尔化学奖得主乔治·奥拉在2006年出版一本名为《跨越油气时代：甲醇经济》的著作，其中提出了二氧化碳加氢制取可再生低碳甲醇的设想。虽然二氧化碳氢化反应已有百年历史，但也是近几年才有了一些突破性进展。

　　目前，在世界范围内二氧化碳加氢制甲醇在冰岛实现了产业化，其他国家和地区大多处在实验室或中试阶段。据了解，2012年冰岛国际碳循环公司甲醇产能达到1300吨，2014年甲醇产能扩展到4000吨。该公司利用当地丰富的地热资源发电，通过电解水制氢将工业废气二氧化碳转化成甲醇液体燃料。然而，二氧化碳制甲醇的催化剂还存在转化率和选择性较差的问题。为此国内外一些企业与研究机构，比如丹麦Haldor Topse、日本关西电力公司、三菱重工、德国鲁奇公司（Lurgi）、韩国科学技术研究院（KIST）等均在攻关高效催化剂及相应技术。而在我国，二氧化碳制甲醇的过程大多还在实验室阶段，部分研究院所在进行中试。

　　中国能源报：课题组开展二氧化碳制甲醇研究是基于怎样的考虑？

　　曾杰：我们课题组自从2012年建组以来，就开始在二氧化碳加氢领域进行技术布局，包括原子尺度精准调控催化剂活性位点、催化反应器设计、原位实验装置搭建等，在近两年取得了突破性进展。甲醇是二氧化碳加氢过程产生的一种结构最简单的液体燃料，由于甲醇是一种“平台分子”，也就是说甲醇本身能够用作液体燃料，也可以用作工业原料生产其他具有高附加值的产物，比如甲醛、醋酸、甲基丙烯酸甲酯等。因此，制备甲醇是我们目前实验的重点方向。

　　二氧化碳本身就可以作为一种碳源载体。通常情况下，二氧化碳作为化石能源燃烧的产物，大量排放会对生态环境造成压力。如果能将二氧化碳转化为液体燃料以及其他高附加值化学品，就能够逐步取代传统化石能源，可以说是“一石二鸟”，从“源头”到“排放”综合解决能源和环境双重问题。

　　中国能源报：从学术角度来讲，该项发现的创新点是什么？有什么实际应用？

　　曾杰：这项研究的成果突破主要还是在催化反应机理研究方面，也就是提出了“单中心近邻原子协同催化”这一新概念，突破了人们对单原子之间互不干扰的传统认识。这项发现对今后催化剂设计有指导意义。在反应中，催化剂的活性中心原子既需要相互靠近产生协同作用，又需要保持一定距离来保证活性。我们的实验结果说明，两个近邻铂原子的催化活性远高于两个孤立铂原子的活性之和，协同催化会使二氧化碳加氢反应更加高效。通俗来讲，就是发现了让催化剂达到“1+1>2”效果的方法。

　　从材料创新的角度来看，这项发现可以帮助科学工作者优化催化剂组成，从机理上找到提高催化效率的方法。二氧化碳加氢催化制甲醇的反应中，为了降低活性贵金属催化剂的成本，可以将催化剂以单原子的形式分散，从而使贵金属原子利用率达到100%。原有的合成方法制备的单原子催化剂负载量一般较低，而应用到工业中金属催化剂负载量需要达到5%。在这个实验中，我们在保持贵金属原子级别分散的同时，将铂的负载量提高到7.5%，为单原子催化剂从实验室走向工业界提供了可能。

　　中国能源报：二氧化碳制甲醇要实现工业化，还面临哪些难点？

　　曾杰：二氧化碳加氢反应的难点目前主要在技术原理上。首先，二氧化碳分子本身十分稳定，活化二氧化碳较为困难，需要合适的反应温度、压强和催化剂来实现反应。二氧化碳与氢气反应的转化率最高仅为30%左右，还需要进一步提高。其次，从反应来看，加氢反应的产物分布广，包括有一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸和汽柴油等，这也就意味着反应选择性不高。如果大规模用二氧化碳生产甲醇，就可能面临着复杂反应产物的分离工作，也就进一步提高了成本。另外，二氧化碳制甲醇需要大量的氢气，氢气没有大量天然的资源，因此也是需要解决的问题之一。

　　中国能源报：如何解决二氧化碳制甲醇这一工业过程的难点？

　　曾杰：针对二氧化碳分子难以活化的问题，目前进行的催化剂研究就是其中一种解决方法。现在反应条件能够控制在30个大气压、200摄氏度左右，比较适中，单原子作为催化材料也能够很好地活化二氧化碳分子，负载量也达到了工业实用性要求，理论上可以实现。

　　氢气来源的问题可以通过合理选址，借鉴冰岛国际碳循环公司使用地热的策略，利用可再生能源电解水实现。目前氢能利用也在不断发展中，制氢方法有利用天然气脱氢或电解水。以可持续的角度来看，在风能、太阳光能、核能等可再生能源丰富的地区建设工厂，进而电解水制氢是可行的大量提供氢气的方法。