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椿范立院士与Green Carbon │ 低碳时代的新型催化技术

已有 617 次阅读 2025-7-10 18:59 |个人分类:2023青年绿碳科学大会|系统分类:科研笔记

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2023青年绿碳科学大会于11月11日至12日在青岛市召开。Green Carbon编委、日本工程院院士、国立富山大学椿范立教授应邀出席大会并作题为“低碳时代的新型催化技术”的主旨报告。椿范立教授通过对碳一分子转化利用过程中思路创新、材料设计、工程应用等方面工作的介绍，对低碳化学新技术的发展和应用进行了解读和展望。

低碳时代的新型催化技术

碳一分子包括二氧化碳、一氧化碳、甲烷、甲醇等。碳一分子转化是生物质、固体废弃物、煤等能源资源低碳利用的重要途径，它们可以通过C/H/O元素的催化重构实现芳烃、汽/柴油等燃料化学品的定向制备。一般来说，由碳一分子制备多碳数分子的过程，往往需要多步化学反应才能实现，在工业过程中需要多台反应器、多套分离系统等。椿范立教授通过设计新型催化剂、开发新反应器、耦合多段反应等工作，发展多种新型“直接”、“一步”碳一分子催化转化新路线。

胶囊催化剂设计及串联反应实现复杂产物定向合成

传统多种催化剂混合反应过程中，反应物在第一种催化剂表面反应后，中间产物需扩散至第二种催化剂表面才能生成产物，而这个过程中存在中间产物不经过第二种催化剂直接逃逸的现象，这往往会造成目标产物选择性下降等问题。椿范立教授带领课题组设计胶囊催化剂，实现反应物首先与胶囊的内核催化剂发生反应，由内核催化剂生成的中间体必须通过外部的壳催化剂进行扩散，因此可以有效的增强中间产物与壳催化剂的接触传质。同时，对壳催化剂厚度和性质的调控，可有效调节中间产物与壳催化剂的接触时间和反应性能，进而调控目标产物选择性，并且壳催化剂进一步的空间限域效应可有效提高目标产物选择性。

椿范立教授通过设计胶囊催化剂，将CO/CO₂制甲醇催化剂和甲醇脱水催化剂进行耦合，实现了CO/CO₂到二甲醚的高选择性制备。进一步，将费托合成、异构化、裂化反应所需活性位集中于一个胶囊颗粒，实现了CO/CO₂到汽油/液化气等目标产品的一步法制备。目前，这种胶囊催化剂已经进行了规模化放大生产，并在泰国的BTL工厂进行了应用。

1,3-丁二烯是重要的基础化学品，是制造合成橡胶、合成树脂、尼龙等的原料。以CO/CO₂为原料制备1,3-丁二烯，可以摆脱当前能源危机和温室效应的双重束缚。椿范立教授设计反应路径，首先通过调控催化剂活性位点实现CO/CO₂到乙醇（C2）的高选择性制备，进而将乙醇（C2）高效合成丁二烯（C4），实现从C1到C4的高效定向合成。目前，该技术与日本东洋轮胎株式会社合作进行轮胎生产。

金属3D打印自催化反应器技术

催化剂和反应器是催化工程的两个重要组成部分。近年来，催化剂的发展越来越倾向于小型化，如纳米催化剂、单原子催化剂等。而催化工厂倾向于大型化。迄今为止，催化剂和反应器的研究仍是两个不同的方向，将催化剂与反应器功能相结合以有效控制化学反应的研究却很少。椿范立教授课题组通过3D打印技术研制的铁基、钴基和镍基3D自催化反应器，实现了碳一分子直接转化为高附加值化学品。该技术研制的反应器打破常规催化反应认知，其不仅具有承受高温高压的能力，同时也承担催化剂的角色，不再需要额外装填催化剂，表现出了极为广阔的催化应用前景。

椿范立教授认为CO₂和H₂含有的C/H/O元素，为几乎所有的有机产品（能源和化学品）提供了基础原料，这为碳资源的绿色循环利用奠定了充分的原料基础。胶囊催化剂的成功开发，可对不同催化组分进行有序合理设计，实现了对产物选择性实现精确调控。串联催化概念实现了对二甲苯、丁二烯等化合物的高效合成，为化工基础产品的多渠道低碳制备奠定了良好的基础。利用3D打印技术实现反应管自催化，为构建全新催化体系开辟了新思路。当前在低碳化工过程中，高效催化剂的合理设计及其与反应器的综合利用仍然是重点关注的方向。

专家简介

椿范立院士

椿范立（Noritatsu Tsubaki），日本工程院院士、日本国立富山大学工学部能源化工讲座教授、博士生导师、富山大学可持续科技研究中心主任、日本学术会议第三学部会员、Green Carbon编委。长期从事碳基能源催化转化体系开发工作，在新型、高效能源转化材料创制，高附加值化学品合成新反应路线探索方面取得了具有国际引领性的科研成果。曾获日本文部科学大臣表彰科学技术奖，日中科学技术交流协会奖，日本催化学会和日本能源学会学会奖（终身成就奖），中国石油和化学工业联合会国际合作奖等奖项10余项。担任日本石油产业技术中心合成燃料海外调查研究委员会委员长、日本天然气研究会会长、J. Enerey Chem.国际编委，在Nat. Catal., Nat. Commun., ACR, JACS等国际著名学术期刊发表论文500多篇，全球能源领域高被引科学家，著书9本，授权日本发明专利60余项，建立示范工厂7座。近5年获得日本NEDO、外务省国际协力机构、日本学术振兴会、本田汽车等资助项目40余项。