中國儲能網訊：二氧化碳是當今最主要的溫室氣體，全球各國都面臨著嚴峻的減排壓力。與此同時，二氧化碳也是一種“碳源”，如何借助科技手段將其“變廢為寶”，世界各國的科研人員以此為課題進行攻關研究，尋找對策。
中國科學技術大學曾杰教授研究團隊近日提出一種新型二氧化碳加氫催化機理，提高了貴金屬原子催化劑的利用率。該研究成果作為封面文章發(fā)表在最新一期的國際著名學術期刊《自然·納米技術》上。
日前，《中國能源報》專訪了中國科學技術大學曾杰教授，深入了解該項新發(fā)現(xiàn)對二氧化碳催化加氫反應的意義。
中國能源報：目前二氧化碳制甲醇工業(yè)化現(xiàn)狀如何？
曾杰：1994年的諾貝爾化學獎得主喬治·奧拉在2006年出版一本名為《跨越油氣時代：甲醇經濟》的著作，其中提出了二氧化碳加氫制取可再生低碳甲醇的設想。雖然二氧化碳氫化反應已有百年歷史，但也是近幾年才有了一些突破性進展。
目前，在世界范圍內二氧化碳加氫制甲醇在冰島實現(xiàn)了產業(yè)化，其他國家和地區(qū)大多處在實驗室或中試階段。據了解，2012年冰島國際碳循環(huán)公司甲醇產能達到1300噸，2014年甲醇產能擴展到4000噸。該公司利用當地豐富的地熱資源發(fā)電，通過電解水制氫將工業(yè)廢氣二氧化碳轉化成甲醇液體燃料。然而，二氧化碳制甲醇的催化劑還存在轉化率和選擇性較差的問題。為此國內外一些企業(yè)與研究機構，比如丹麥Haldor Topse、日本關西電力公司、三菱重工、德國魯奇公司（Lurgi）、韓國科學技術研究院（KIST）等均在攻關高效催化劑及相應技術。而在我國，二氧化碳制甲醇的過程大多還在實驗室階段，部分研究院所在進行中試。
中國能源報：課題組開展二氧化碳制甲醇研究是基于怎樣的考慮？
曾杰：我們課題組自從2012年建組以來，就開始在二氧化碳加氫領域進行技術布局，包括原子尺度精準調控催化劑活性位點、催化反應器設計、原位實驗裝置搭建等，在近兩年取得了突破性進展。甲醇是二氧化碳加氫過程產生的一種結構最簡單的液體燃料，由于甲醇是一種“平臺分子”，也就是說甲醇本身能夠用作液體燃料，也可以用作工業(yè)原料生產其他具有高附加值的產物，比如甲醛、醋酸、甲基丙烯酸甲酯等。因此，制備甲醇是我們目前實驗的重點方向。
二氧化碳本身就可以作為一種碳源載體。通常情況下，二氧化碳作為化石能源燃燒的產物，大量排放會對生態(tài)環(huán)境造成壓力。如果能將二氧化碳轉化為液體燃料以及其他高附加值化學品，就能夠逐步取代傳統(tǒng)化石能源，可以說是“一石二鳥”，從“源頭”到“排放”綜合解決能源和環(huán)境雙重問題。
中國能源報：從學術角度來講，該項發(fā)現(xiàn)的創(chuàng)新點是什么？有什么實際應用？
曾杰：這項研究的成果突破主要還是在催化反應機理研究方面，也就是提出了“單中心近鄰原子協(xié)同催化”這一新概念，突破了人們對單原子之間互不干擾的傳統(tǒng)認識。這項發(fā)現(xiàn)對今后催化劑設計有指導意義。在反應中，催化劑的活性中心原子既需要相互靠近產生協(xié)同作用，又需要保持一定距離來保證活性。我們的實驗結果說明，兩個近鄰鉑原子的催化活性遠高于兩個孤立鉑原子的活性之和，協(xié)同催化會使二氧化碳加氫反應更加高效。通俗來講，就是發(fā)現(xiàn)了讓催化劑達到“1+1>2”效果的方法。
從材料創(chuàng)新的角度來看，這項發(fā)現(xiàn)可以幫助科學工作者優(yōu)化催化劑組成，從機理上找到提高催化效率的方法。二氧化碳加氫催化制甲醇的反應中，為了降低活性貴金屬催化劑的成本，可以將催化劑以單原子的形式分散，從而使貴金屬原子利用率達到100%。原有的合成方法制備的單原子催化劑負載量一般較低，而應用到工業(yè)中金屬催化劑負載量需要達到5%。在這個實驗中，我們在保持貴金屬原子級別分散的同時，將鉑的負載量提高到7.5%，為單原子催化劑從實驗室走向工業(yè)界提供了可能。
中國能源報：二氧化碳制甲醇要實現(xiàn)工業(yè)化，還面臨哪些難點？
曾杰：二氧化碳加氫反應的難點目前主要在技術原理上。首先，二氧化碳分子本身十分穩(wěn)定，活化二氧化碳較為困難，需要合適的反應溫度、壓強和催化劑來實現(xiàn)反應。二氧化碳與氫氣反應的轉化率最高僅為30%左右，還需要進一步提高。其次，從反應來看，加氫反應的產物分布廣，包括有一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸和汽柴油等，這也就意味著反應選擇性不高。如果大規(guī)模用二氧化碳生產甲醇，就可能面臨著復雜反應產物的分離工作，也就進一步提高了成本。另外，二氧化碳制甲醇需要大量的氫氣，氫氣沒有大量天然的資源，因此也是需要解決的問題之一。
中國能源報：如何解決二氧化碳制甲醇這一工業(yè)過程的難點？
曾杰：針對二氧化碳分子難以活化的問題，目前進行的催化劑研究就是其中一種解決方法?，F(xiàn)在反應條件能夠控制在30個大氣壓、200攝氏度左右，比較適中，單原子作為催化材料也能夠很好地活化二氧化碳分子，負載量也達到了工業(yè)實用性要求，理論上可以實現(xiàn)。
氫氣來源的問題可以通過合理選址，借鑒冰島國際碳循環(huán)公司使用地熱的策略，利用可再生能源電解水實現(xiàn)。目前氫能利用也在不斷發(fā)展中，制氫方法有利用天然氣脫氫或電解水。以可持續(xù)的角度來看，在風能、太陽光能、核能等可再生能源豐富的地區(qū)建設工廠，進而電解水制氫是可行的大量提供氫氣的方法。
