“二氧化碳分子式的排列就像兩個(gè)人緊緊拉著手，這種結(jié)構(gòu)讓二氧化碳分子極具化學(xué)惰性。我們要做的就是強(qiáng)迫它在相對(duì)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(xué)化工學(xué)院鞏金龍教授眼里，如何催化“懶惰”的二氧化碳是實(shí)現(xiàn)其變廢為寶的關(guān)鍵。
在過(guò)去3年中，鞏金龍團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，通過(guò)深入研究二氧化碳化學(xué)催化轉(zhuǎn)化過(guò)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(wèn)題，為其轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的大范圍推廣奠定了科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)減排的重要途徑，同時(shí)也是一個(gè)世界性難題。一直以來(lái)，我國(guó)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(kāi)能源的使用。在我國(guó)以煤炭為主的能源背景下，傳統(tǒng)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致額外的二氧化碳的排放。
“不能在轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生新的二氧化碳，否則就成了拆東墻補(bǔ)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(biāo)是零排放，讓二氧化碳實(shí)現(xiàn)凈轉(zhuǎn)化。”鞏金龍團(tuán)隊(duì)一開(kāi)始就選擇了一條最難的、也是標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(tuán)隊(duì)把目光聚焦到太陽(yáng)能。“太陽(yáng)能是自然界取之不盡用之不竭的綠色能源。”鞏金龍說(shuō)，他們想到了樹(shù)葉的光合作用，一片樹(shù)葉通過(guò)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(jī)物，同時(shí)釋放氧氣。但是樹(shù)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(shù)葉百倍的人工樹(shù)葉。”利用太陽(yáng)能，人工樹(shù)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(wàn)次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“人工樹(shù)葉”設(shè)想
要實(shí)現(xiàn)“人工樹(shù)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(kāi)創(chuàng)性的研究實(shí)在太前沿。回憶起最初的研究，鞏金龍感慨地說(shuō)：“我們的研究完完全全是從零開(kāi)始的。”
從0到1的轉(zhuǎn)變是場(chǎng)異常艱辛的跋涉。首先，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)備沒(méi)有現(xiàn)成的商業(yè)化裝置可以購(gòu)買(mǎi)，全靠研究團(tuán)隊(duì)自己探索設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。從繪圖設(shè)計(jì)，到材料、工具的選擇，到最終動(dòng)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(shí)驗(yàn)失敗幾乎成了常態(tài)。
“雖然沒(méi)仔細(xì)統(tǒng)計(jì)過(guò)，但是不夸張地說(shuō)，我們進(jìn)行了上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，失敗、總結(jié)、調(diào)整方案，而后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。那段時(shí)間幾乎每天都這樣周而復(fù)始循環(huán)地工作著。”鞏金龍回憶說(shuō)。
在研發(fā)過(guò)程中，鞏金龍團(tuán)隊(duì)還面臨著來(lái)自美國(guó)和日本同行的激烈競(jìng)爭(zhēng)。在這種壓力和動(dòng)力下，團(tuán)隊(duì)的科研人員每天都在和時(shí)間賽跑。
最終他們經(jīng)過(guò)三年多的研究，實(shí)現(xiàn)了利用太陽(yáng)能、氫能等綠色能源，在溫和條件下進(jìn)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(xué)品的綠色轉(zhuǎn)化通道，實(shí)現(xiàn)了將二氧化碳還原為甲醇和其他碳?xì)淙剂系男峦黄啤Ｔ谵D(zhuǎn)化過(guò)程中，其含碳產(chǎn)物的產(chǎn)率高達(dá)92.6%，其中甲醇的選擇性為53.6%，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。相關(guān)研究成果作為封面熱點(diǎn)論文，在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》《能源與環(huán)境科學(xué)》等國(guó)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(shí)，鞏金龍團(tuán)隊(duì)也致力于二氧化碳礦化轉(zhuǎn)化等實(shí)際應(yīng)用方面的研究。鞏金龍教授幽默地說(shuō)：“我們的研究不能都這么高冷，也要接地氣呀。”
這個(gè)“接地氣”的研究就是針對(duì)目前二氧化碳轉(zhuǎn)化過(guò)程經(jīng)濟(jì)性不佳的狀況，通過(guò)“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(xì)化學(xué)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(guó)目前每年有2000萬(wàn)噸含鈦、鋁等成分的煉鋼高爐渣無(wú)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(shí)，高效回收鈦、鋁等金屬元素，而礦化過(guò)程中得到的高純度鈦白粉可以應(yīng)用于染料制作，實(shí)現(xiàn)了高爐渣的資源化充分利用。目前，這項(xiàng)技術(shù)的二氧化碳礦化效率達(dá)到了200公斤/噸（非堿性礦），為世界最高水平。如今，研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展年處理300噸含鈦高爐渣制備高純度鈦白粉的擴(kuò)大試驗(yàn)。（陳 曦）