“人工樹葉”讓二氧化碳變廢為寶

“二氧化碳分子式的排列就像兩個人緊緊拉著手，這種結(jié)構(gòu)讓二氧化碳分子極具化學惰性。我們要做的就是強迫它在相對溫和的條件下與別的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，把它變廢為寶。”在天津大學化工學院鞏金龍教授眼里，如何催化“懶惰”的二氧化碳是實現(xiàn)其變廢為寶的關(guān)鍵。

在過去3年中，鞏金龍團隊在國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，通過深入研究二氧化碳化學催化轉(zhuǎn)化過程，突破了二氧化碳資源化所面臨的能耗高、效率低、產(chǎn)品附加值低等瓶頸問題，為其轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的大范圍推廣奠定了科學基礎(chǔ)，研究成果處于世界領(lǐng)先水平。

“零排放”轉(zhuǎn)化：最難也是標準最高的路

全世界每天有大量二氧化碳被排放到大氣中，資源化高效利用是實現(xiàn)減排的重要途徑，同時也是一個世界性難題。一直以來，我國使用的常規(guī)二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)都需要高溫、高壓和催化劑，獲取這些條件離不開能源的使用。在我國以煤炭為主的能源背景下，傳統(tǒng)技術(shù)會導致額外的二氧化碳的排放。

“不能在轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生新的二氧化碳，否則就成了拆東墻補西墻。轉(zhuǎn)化得算總賬，轉(zhuǎn)化量大于排放量才劃算，我們的目標是零排放，讓二氧化碳實現(xiàn)凈轉(zhuǎn)化。”鞏金龍團隊一開始就選擇了一條最難的、也是標準最高的道路。

二氧化碳轉(zhuǎn)化的難度在于，其分子結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化需要注入很高的能量，且二氧化碳轉(zhuǎn)化的路徑復雜，轉(zhuǎn)化后產(chǎn)物眾多、純度不佳。因此轉(zhuǎn)化路徑和催化劑的選擇極其重要。

鞏金龍團隊把目光聚焦到太陽能。“太陽能是自然界取之不盡用之不竭的綠色能源。”鞏金龍說，他們想到了樹葉的光合作用，一片樹葉通過光合作用，吸收光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變?yōu)楦荒艿挠袡C物，同時釋放氧氣。但是樹葉的能量轉(zhuǎn)化效率太低了，只有0.1%—1%。“我們要做的催化劑就像是一片能量轉(zhuǎn)化效率是普通樹葉百倍的人工樹葉。”利用太陽能，人工樹葉在催化劑的作用下把水和二氧化碳高效地轉(zhuǎn)化為甲醇、甲烷等含碳分子，直接就可以作為燃料再次利用。

上萬次實驗實現(xiàn)“人工樹葉”設(shè)想

要實現(xiàn)“人工樹葉”的設(shè)想，需要建立新型二氧化碳催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)體系，找到更高效的催化劑。然而這種開創(chuàng)性的研究實在太前沿。回憶起最初的研究，鞏金龍感慨地說：“我們的研究完完全全是從零開始的。”

從0到1的轉(zhuǎn)變是場異常艱辛的跋涉。首先，進行實驗的設(shè)備沒有現(xiàn)成的商業(yè)化裝置可以購買，全靠研究團隊自己探索設(shè)計開發(fā)。從繪圖設(shè)計，到材料、工具的選擇，到最終動手安裝都是靠科研人員自己完成。其次，選擇哪種催化劑更高效，也全靠摸索著嘗試，實驗失敗幾乎成了常態(tài)。

“雖然沒仔細統(tǒng)計過，但是不夸張地說，我們進行了上萬次實驗，失敗、總結(jié)、調(diào)整方案，而后再進行實驗。那段時間幾乎每天都這樣周而復始循環(huán)地工作著。”鞏金龍回憶說。

在研發(fā)過程中，鞏金龍團隊還面臨著來自美國和日本同行的激烈競爭。在這種壓力和動力下，團隊的科研人員每天都在和時間賽跑。

最終他們經(jīng)過三年多的研究，實現(xiàn)了利用太陽能、氫能等綠色能源，在溫和條件下進行二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化，建立了新型的“光電催化二氧化碳還原”“二氧化碳加氫還原”途徑，打通了從二氧化碳到液體燃料和高附加值化學品的綠色轉(zhuǎn)化通道，實現(xiàn)了將二氧化碳還原為甲醇和其他碳氫燃料的新突破。在轉(zhuǎn)化過程中，其含碳產(chǎn)物的產(chǎn)率高達92.6%，其中甲醇的選擇性為53.6%，達到世界領(lǐng)先水平。相關(guān)研究成果作為封面熱點論文，在《德國應(yīng)用化學》《能源與環(huán)境科學》等國際知名期刊上發(fā)表。

二氧化碳礦化效率為世界最高水平

在基礎(chǔ)性研究走在前沿的同時，鞏金龍團隊也致力于二氧化碳礦化轉(zhuǎn)化等實際應(yīng)用方面的研究。鞏金龍教授幽默地說：“我們的研究不能都這么高冷，也要接地氣呀。”

這個“接地氣”的研究就是針對目前二氧化碳轉(zhuǎn)化過程經(jīng)濟性不佳的狀況，通過“離子液體協(xié)同催化轉(zhuǎn)化”“非堿性礦礦化利用”等措施，使用更高效的催化劑，制備出高附加值的聚碳酸酯和鈦白粉等精細化學品，為二氧化碳礦化轉(zhuǎn)化的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

鞏金龍介紹，我國目前每年有2000萬噸含鈦、鋁等成分的煉鋼高爐渣無法得到利用。他們的技術(shù)可以在礦化固定二氧化碳的同時，高效回收鈦、鋁等金屬元素，而礦化過程中得到的高純度鈦白粉可以應(yīng)用于染料制作，實現(xiàn)了高爐渣的資源化充分利用。目前，這項技術(shù)的二氧化碳礦化效率達到了200公斤/噸(非堿性礦)，為世界最高水平。如今，研究團隊正在開展年處理300噸含鈦高爐渣制備高純度鈦白粉的擴大試驗。