精选
二氧化碳加氢用于可持续燃料和化学品生产《科学》
编辑总结
将捕获的二氧化碳（CO₂）排放物进行转化，随后再转化为燃料和化学品原料，是一种替代二氧化碳封存的重要方法。叶等人回顾了二氧化碳加氢的多相热催化路线，重点关注将甲醇作为燃料和原料，以及转化为一氧化碳和碳氢化合物的情况。加深我们对活性位点结构与产物选择性之间关系的理解，以及基于地球上储量丰富的元素确定具有长寿命的催化剂，将至关重要。——菲尔·苏罗米
结构化摘要
研究背景
二氧化碳（CO₂）已成为气候变化的代名词。它就像大气中的毯子一样，捕获热量，导致全球气温上升。这种气候变暖扰乱了天气模式，使冰川融化，海平面上升，对地球构成了重大威胁。主要的罪魁祸首是什么呢？是煤炭、石油和天然气等化石燃料的燃烧，它们向空气中释放了大量的二氧化碳。但如果二氧化碳不只是废弃物呢？旨在将二氧化碳转化为宝贵资源的创新技术正在不断涌现。这些技术专注于利用捕获的二氧化碳作为原料，来生产更清洁的燃料和化学品。一种很有前景的方法是制造 “绿色甲醇”。通过将捕获的二氧化碳与氢气相结合，就可以合成甲醇——一种用途广泛的燃料和化学品基础原料。甲醇的历史可以追溯到几千年前，当时古埃及人用它来进行防腐处理。20世纪20年代，随着锌铬铁矿催化剂的开发，甲醇合成取得了一项突破。这为20世纪40年代引入Cu/Zn/Al₂O₃（CZA）这种改变行业格局的催化剂铺平了道路，该催化剂后来成为了行业标准。然而，CZA催化剂有一个缺点——与直接将二氧化碳转化为甲醇相比，它更倾向于发生逆水煤气变换（RWGS）反应。这降低了该过程中二氧化碳的利用效率。此外，导致催化剂失活的一个主要因素是烧结，即催化剂颗粒会聚集在一起，从而减少了它们的活性表面积，影响了催化性能。有趣的是，高活性和快速失活之间存在一种关联——初始活性最高的催化剂（通常含铜量最多）也最容易快速失活。CZA的使用寿命在2到8年之间，活性会逐渐下降。
科学家们正在寻找最有效的催化剂，以便将二氧化碳转化为有用的燃料（甲醇，即CH₃OH）。最近，基于氧化铟的催化剂（In₂O₃）引起了广泛关注。在2020年至2024年发表的研究文章中，大多数被研究的催化剂（96种中的85种）对甲醇的选择性达到了50%以上。大多数甲醇合成催化剂在较低温度（低于300°C）和较高压力（高于3 MPa）下效果最佳，而大多数用于碳氢化合物合成的催化剂则在较高温度（高于300°C）和较低压力（低于3 MPa）下表现更好。一个积极的进展是，据报道的甲醇产率仍在不断提高。目前表现最佳的是一种Cu/ZnO/MnO/KIT-6催化剂，它能在适中的温度（180°C）下运行，有效地转化二氧化碳，同时能高产甲醇。然而，应对气候变化不仅仅是优化甲醇生产，更是要为所有人创造一个可持续的未来。与传统生产方法相比，二氧化碳加氢在减少温室气体排放方面似乎很有前景，尤其是当由风能等可再生能源提供动力时。不过，情况并非如此简单。在不同的环境影响之间存在权衡取舍。例如，二氧化碳的来源以及所使用的特定转化技术，会显著影响整体的环境足迹。二氧化碳加氢为航空和航运等难以实现电气化的行业提供了一种清洁燃料解决方案（电子燃料）。然而，要实现可持续性，就需要高效的水资源管理和热量整合。此外，在考虑加氢技术对环境的影响时，摆脱对原油碳源的依赖，其主要好处在于它有可能大幅减少温室气体排放。
#### 展望
目前的催化剂，如CZA，存在局限性，包括使用寿命短和依赖关键元素。研究工作应集中在设计新的催化剂上，以促进二氧化碳直接转化为甲醇，同时尽量减少逆水煤气变换反应。减轻烧结并延长催化剂使用寿命的策略至关重要。这可能涉及探索不同的催化剂载体，或者将稳定元素纳入催化剂结构中。理解活性、铜含量和催化剂失活之间的关系，对于开发既能在初始阶段表现出高性能，又能保持长期稳定性的催化剂至关重要。目前正在研究诸如钯 - 铟（Pd-In）催化剂等替代方案，但成本是一个需要考虑的问题。尽管仍然存在挑战，但催化剂设计和表征技术方面的进展，正在为一个由二氧化碳加氢驱动的更清洁的未来铺平道路。尽管二氧化碳加氢作为一种利用现成碳源的方法很有吸引力，但其缓解气候变化的潜力并不那么明确。只有当二氧化碳来自直接空气捕获时，才有可能实现净负排放，而且考虑到所有的背景排放，实现净负排放可能会很困难。然而，对于航空等难以实现可持续发展的行业来说，使用二氧化碳可能是一个最佳选择。
二氧化碳热转化的反应路径。
根据催化剂的性质，二氧化碳加氢有几种可能的反应路径。例如，可以使用CZA直接从二氧化碳生产甲醇，也可以通过由镍和铁等非贵金属或金属碳化物存在下所促进的逆水煤气变换反应间接生产甲醇。
催化二氧化碳（CO₂）加氢是生产可持续燃料和化学品的一种潜在途径，但现有的催化剂仍有待改进。特别是，确定活性位点、理解各组分之间的相互作用以及参与反应物质的动态行为，这些方面仍不明确。这种基础知识对于设计更高效、更稳定的催化剂至关重要。由于活性位点的性质（金属、氧化物、碳化物）是决定催化剂催化活性的主要因素，因此本综述重点关注了文献中最近报道的各类多相催化剂，这些催化剂能有效地将二氧化碳转化为C₁产物[一氧化碳（CO）、甲醇（CH₃OH）、甲烷（CH₄）]以及更高碳数的碳氢化合物。我们专注于建立活性位点结构与选择性之间的关键联系，而不考虑催化剂的组成。
CO 中的反应途径2热转换。
CO 的多条路线2根据催化剂的性质，可以进行氢化。甲醇可直接从 CO 中生产2例如，使用 CZA 和间接通过非贵金属（如 Ni 和 Fe 或金属碳化物）有利于的 RWGS 反应。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自孙学军科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-41174-1475255.html?mobile=1
收藏
