二氧化碳轉化制備化學品的研究進展

李國強

（齊魯師范學院,濟南 250200）

二氧化碳轉化制備化學品的研究進展

李國強

（齊魯師范學院,濟南 250200）

二氧化碳是主要的溫室氣體，同時也是一種廉價、豐富的C1資源，將其轉化為高附加值化學品具有重要的意義，而如何實現化學轉化是一個極具挑戰性的科學問題。基于此，本文簡要介紹了CO2轉化制備化工產品的現狀及其發展前景，以期為其高效轉化利用提供基礎。

二氧化碳；化學轉化；化學品

二氧化碳是工業燃料燃燒的主要產物之一，也是主要的溫室氣體，在自然界普遍存在，約占大氣的體積分數為0.03％。隨著碳排放量逐漸增大以及其給環保帶來的巨大壓力，CO2的減排已成為人們關注的焦點。

CO2的資源化利用是實現其減排的首要途徑。CO2作為一種廉價、豐富的 C1 資源，將其轉化為高附加值化學品具有重要意義。一般而言，CO2可轉化制備的多種不同的化學品，如甲醇、合成氣、低烯烴、醚等等。由于CO2具有很高的標準生成熱，結構非常穩定，要實現其在溫和條件下的化學轉化成為一個極具挑戰性的科學問題。因此，有必要對CO2轉化為燃料、化工中間體等的研究進展進行介紹，從而為進一步實現CO2的高效轉化利用提供基礎。

1 CO2轉化制甲醇

CO2直接催化加氫制甲醇是一個較經濟的反應過程，早在1945年首次報道了Cu-Al催化劑上CO2和H2合成甲醇的研究。在5.15MPa和275oC下，以Cu-Zn-Al2O3為催化劑進行CO2和H2合成反應，CO2的轉化率為16％，甲醇的選擇性為28％。近年來，報道了采用溶膠-凝膠技術制備Cu-ZnO-SiO2催化劑，在3.0 MPa、220oC和6000 h-1的條件下，甲醇的選擇性大于90％[1]。盡管目前就CO2的轉化率及對應甲醇的選擇性提高方面都有了一定的研究進展，但就催化機理方面的認識還非常欠缺，如反應的中間產物、催化活性中心等都不明確，這方面的研究尚處于初級階段[2]。另外，就催化劑的穩定性和耐毒性問題也需要作進一步深入研究?？傮w而言，二氧化碳轉化制甲醇的方法耗能高、投資大、反應條件較為苛刻（～6 MPa，250～300oC）。

2 CO2轉化制碳酸二甲酯（DMC）

碳酸二甲酯中含有甲基、甲氧基、羰基等官能團，具有較低的毒性，是一種很好的環境友好型產品，在工業化應用中展現出潛在的價值。CO2和甲醇合成DMC反應的平衡常數很小，這樣將會使得CO2的平衡轉化率也很小。通過設計催化劑可以打破反應的化學平衡限制，從而有助于碳酸二甲酯的生成[3]。目前研究的較多的催化劑有錫/鈦的烷氧化物、堿/堿土金屬碳酸鹽和 ZrO2基催化劑等等。就錫/鈦基催化劑而言，其催化活性較低；在超臨界條件下堿/堿土金屬碳酸鹽也能夠催化該反應，但是對應的DMC產率較低。通過引入添加劑CH3I，可以有效的提高DMC的產率。雖然人們已經開展了一系列的研究工作，但是二氧化碳和甲醇直接合成DMC的工藝技術，尚未達到工業化所要求的程度。這主要由于CO2的活化較困難，反應周期長，條件苛刻（～6 MPa、～200oC），催化劑易中毒等因素造成的。

3 CO2重整制合成氣

合成氣是一種重要的化工原料，是H2和CO的混合物，可以用于制備一系列的化工產品，被人們稱為“合成工業的基石”。目前，主要通過CH4水蒸氣重整法制備合成氣，可以看出，CH4轉化需要氧參與，而二氧化碳轉化則需要耗氫，倘若能夠將二者結合，則可解決CO2轉化所需氫的問題。就CO2重整制合成氣而言，主要存在著能耗高，催化劑積炭嚴重等問題。從節約成本角度出發，制備具有低成本和高性能的非貴金屬催化劑已成為研究的重點，且大部分研究工作集中于Fe、Co和Ni系催化劑。就Fe基和Co基催化劑來講，它們的反應活性較低，很難通過改變制備條件實現其性能的顯著提高。相比而言，Ni 基催化劑展現出了與貴金屬催化劑相當的反應活性，但其反應穩定性較差，這主要是由于Ni 催化劑燒結和積炭所引起的。顯然，開發具有廉價、高效、穩定的Ni基CH4-CO2重整反應催化劑將是這一領域的重點和難點[4]。

4 CO2熱解制碳

在較苛刻的條件下，CO2可分解生成C、CO 和O2。相關的研究表明該過程主要分為兩步進行，即CO2與金屬間發生氧化反應，進而生成的金屬氧化物發生分解生成O2和金屬，即可以使金屬再生[4]。目前，就這一反應過程的研究尚處探索階段。

5 結語

CO2資源化利用，既是一次機遇又是一種挑戰。通過化學的方法實現CO2的轉化利用是一種非常理想的CO2減排途徑。目前，人們已開展了CO2直接轉化為不同化工產品的研究工作，并取得了一定的成果。但是，如何實現溫和條件下CO2的有效轉化仍然是一個極具挑戰的科學問題，其關鍵在于CO2分子的活化。這就需要將CO2的轉化與材料科學、催化理論以及過程工程科學進行有機結合，從而有助于探索制備高性能催化劑以及相應轉化技術的工業化應用。

[1]張曉陽，胡志彪，凌華招，胡高榮.二氧化碳加氫合成甲醇催化劑及工藝研究開發[J].天然氣化工，2011（06），41-45.

[2]高健，苗成霞，汪靖倫，何良年.二氧化碳資源化利用的研究進展[J].石油化工，2010（05）：465-475.

[3]李鵬，陶亮亮，張虹，丁敬敏.碳酸二甲酯的合成及應用進展[J].皮革與化工，2011（06）：31-34.

[4]魏偉，孫予罕，聞霞，孫楠楠.二氧化碳資源化利用的機遇與挑戰[J].化工進展，2011（01）：216-224.

李國強（1990-），男，山東東營人。