CO2一步变燃料！二氧化碳近100%选择性转化乙醇
日前，江南大学发布消息称，刘小浩教授团队首次实现了在温和条件下二氧化碳一步近100%选择性转化乙醇，大大提升了二氧化碳制乙醇的效率。该技术为二氧化碳大规模利用提供了巨大机遇，展现出良好的工业化应用前景。
二氧化碳化学分子式为CO2，具有稳定的直链结构O=C=O，是主要的温室气体。
在全球持续变暖的当下，利用科学技术还原二氧化碳能达到固碳和降碳的作用，成为了各国普遍关注的话题，专家学者对此已经进行了大量的尝试。
CO2加氢制乙醇也早就不是一个新概念，只是一直存在着技术瓶颈。
如今，江南大学的刘小浩团队终于在这一领域取得了突破。
刘小浩教授团队提出了一种全新的催化剂设计策略，通过结构封装法，构筑了双靶位点-纳米“蓄水”膜反应器，实现了二氧化碳在温和条件下连续流一步无副反应高效稳定生成乙醇。
这种纳米“蓄水”膜反应器，合成的催化剂结构类似于一个胶囊，内部封装了二氧化铈载体分散的双靶催化剂。
胶囊的壳层具有高选择性，疏水修饰后，保证内部生成的水富集而产物乙醇可以溢出。
图片源自：江南大学官网
其中的水环境可以稳定双靶活性位点，里边的催化剂能够在240℃、3MPa时将二氧化碳近100%选择性高效稳定地转化为乙醇。
实验通过连续60小时的测试且具有良好的稳定性，乙醇产出物的选择性也都能保持在近100%的水平。
在以往的研究中，采用的各种热催化增碳定向生成催化剂，特别是连续流反应器中，无法实现中间物种的定向转化和碳链增长的精确可控，副产物多，导致无法实现有效的增碳合成单一高碳产物。刘小浩教授团队的技术成功突破了这一难点，避免了产生大量低价值的副产物。
02、CO2一步制乙醇：一直在探索
乙醇燃烧生成二氧化碳有多容易，二氧化碳还原生成乙醇就有多难。
这主要是因为二氧化碳加氢催化容易，但是生成乙醇不容易，生成纯的乙醇更难。在二氧化碳催化加氢时CO2很活跃，会先形成C-O键。
如果继续催化还原的话C-O则容易形成CHO或者CH4。一旦实验中生成CH4就不能再生成乙醇了，或者那就是另外一套工艺了。
要想生成乙醇，前提是过程中要有C-C耦合键的形成。在实验中，最难的就是如何稳定地形成C-C耦合键。
即使有了C-C耦合键，在还原反应中每个C原子都还有三种选择的机会，从而形成烯烃和多元醇类。
如何在实验中让C-C耦合键只形成乙醇这一种物质？
这一直以来都是一个非常复杂的问题，也是一个极大的挑战。
其实，在这个还原反应中催化剂的选择非常重要。实验证明，Cu是CO2转化生成C2+产物最具活性的金属，主要是Cu+对-CO具有较好的吸附能力可以促进C-C耦联，有利于形成C2+化合物。
后来，人们发现以金属氧化物为载体的贵金属(Rh，Pt，Au)、过渡金属(Cu，Fe，Co)及双金属 (Cu-Pd，Co-Fe，Pt-Co)催化剂都可以被用于CO2加氢合成高级醇。
这些催化剂又被应用在电催化、光催化、间歇釜热催化等多种方法中。
电催化是在电解池中将铜粉撒在碳基上，让二氧化碳气体通过时完成催化还原反应。二氧化碳会在低压电场中被还原，然后选择性地重新排列生成乙醇，选择性可以达到90%。
在光催化反应中用太阳光提供能源还原二氧化碳，过程中明显提高了乙醇的产量和选择性，但是选择性也只有92%。
本文中的二氧化碳制乙醇的方法就属于间歇釜热催化的方法。实验证明：温度在240℃、压力3MPa 时生成乙醇的选择性可以达到近100%。
大量科学实践加快了二氧化碳还原制乙醇的科学进程，为二氧化碳制乙醇的工业化应用带了希望。
03、二氧化碳的新“事业”
乙醇俗称“酒精”，是重要的基础化学品，可以用于制造饮料，消毒剂、车用燃料。
作为燃料，乙醇既可以直接燃烧，也可以掺入到汽油中制成乙醇汽油。
与传统汽油相比，乙醇汽油在能源利用效率和环境保护方面具有优势，能够节省5%的能源，还可以减少许多污染物的排放。乙醇还能使发动机在低温下提供更好的启动性能。
从成分含量来看，以国六B乙醇汽油为例，其中要求乙醇的含量为9.0%-10.5%。
我国每年汽油的产量高达1.45亿吨，而乙醇每年用于燃料的只有300-350万吨。
但是长期以来，乙醇的工业制备方法主要有粮食发酵法、煤基制乙醇和乙烯裂解法制乙醇。
在这个过程中消耗了大量的粮食、煤炭和石油。而用二氧化碳加氢制乙醇不仅可以起到节约粮食、煤炭和石油等原料的作用，还可以降低空气中二氧化碳的含量。
二氧化碳制乙醇一旦实现规模化生产，既可以增加乙醇的产量，还可以将大量的二氧化碳转化成燃料，实现碳循环的闭环。
其实将二氧化碳转化成燃料早就已经有了先例。比如中国科学院大连化学物理研究所、兰州新区石化产业投资集团有限公司和华陆工程科技有限责任公司联合开发的千吨级“液态阳光”示范项目成功产出了合格的绿色甲醇。
二氧化碳不仅可以制成甲醇，还可以直接制成碳中和汽油。2023年1月，中国石化参建的智利HIF公司Haru Oni示范项目通过可再生电力电解产生的氢气与空气中捕获的二氧化碳合成反应，最终合成了碳中和汽油。
我国的鲁西化工的二氧化碳加氢制甲醇项目也在今年2月28日开车成功。
或许，碳中和碳达峰的关键不在于如何降低化石燃料的使用，而在于让碳形成完整的闭环，循环起来。
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