二氧化碳加氢制汽油可行性有多高 中科院的二氧化碳制汽油研究项目

一个重大进展，中科院的二氧化碳制汽油研究项目，成功了！

　　不仅成功，商业化也迫在眉睫。

　　由中国科学院大连化学研究所牵头的世界上第一套1000吨二氧化碳加氢汽油装置的生产商表示，该装置已成功启动并投入运行。

　　为什么说是重大进步？直接关系到汽车燃油补给，影响国计民生。

　　远的不说，就在这几天，油价已经冲破天际，92号汽油在最高地区海南高达9.16元/升。

　　95号汽油加满一箱要100多元。

　　中科院实现的二氧化碳汽油是符合国六标准的产品。

　　这项技术是一个有据可查的研究项目，始于2017年。

　　几年来，通过实验室试验、100克单管评价试验、催化剂放大制备、中试工艺包设计等过程，将于2020年在山东邹城工业园区建成千吨级中试装置。

　　就在几天前，装置启动成功，完成了调试、正式运行和工业侧线数据优化。

　　目前二氧化碳和氢气转化率达到95%，生产的汽油经三方检验辛烷值在90(俗称汽油标号)以上，馏程和组成符合国标准，汽油品质环保清洁。

　　其实在二氧化碳加氢过程中，产品并不全是汽油，还含有其他碳氢化合物3354，也是这个原因，导致原料利用率低，成本降低。

　　这也是之前各种CO2转汽油技术难以落地的重要原因。

　　大连物化所的新技术、新工艺可使所有含碳产品中汽油的选择性优于85%，显著降低原料氢气和二氧化碳的单耗，匹配的单位能耗也较低。

　　中国石油和化学工业联合会对这项技术的评价是：

　　是世界首创，整体技术处于国际领先水平。

　　年产量1000吨，看似很小，却是技术商业化的第一步。

　　千吨级工厂总投资4000万元，可视为样板间，为未来万吨级甚至更大规模的量产提供经验参考。

　　将温室气体中的二氧化碳转化为附加值化学品和燃料不仅有助于中和碳，还能在化石能源枯竭或油价大幅波动时增强能源安全。

　　但难点在于二氧化碳是完全氧化的热力学稳定的分子，要将其本身活化成碳氢化合物是非常困难的。

　　而且二氧化碳在传统催化剂表面吸收的热量比较低，导致二氧化碳加氢过程中C/H比较低。

　　这是前述中间产物的快速加氢，导致汽油(C5-C11化合物)减少，甲烷(CH4)增加。

　　学术界提出了一条间接路线，即先将二氧化碳还原成一氧化碳，再加氢制备，分别对应两个经典的工艺流程。第一种是逆水煤气变换(RWGS)，基本化学式是CO2 H2=CO H2O，需要吸热和催化剂。

　　然后将一氧化碳和氢气的合成气通过吸热和催化剂制备成烃类化合物，称为费托合成(FTS):

　　(2n 1) H2 nCO CnH(2n 2) nH2O .

而传统工艺中含钴、铁、钌的催化剂更有利于甲烷的生成。

　　如果想用这种工艺生产汽油，关键是要找到合适的催化剂。

　　大连生理化学研究所团队制备了一种新型Na-Fe3O4/HZSM-5催化剂，将二氧化碳直接转化为汽油范围(C5-C11)的烃类。

　　四氧化三铁本身对二氧化碳有很好的活化作用，碱金属钠的加入明显增强了铁基催化剂的表面碱性和增碳性，使二氧化碳加氢制低碳烯烃时催化剂更具活性。

　　Na均匀分布在Fe3O4纳米粒子表面，没有明显的偏析。

　　光谱表征表明，当Na-Fe3O4在反应前在H2中还原时，将形成金属铁。

　　接下来，当催化剂暴露于反应条件下时，金属铁与碳和氧相互作用形成Fe3O4和Fe3O4。

　　Fe3O4和Fe3O4分别是上述RWGS和FTS反应的活性中心。

　　沸石具有独特的择形性和酸性，在烃类齐聚/芳构化/异构化反应中具有良好的效果。

　　因此，该团队将Na-Fe3O4与沸石结合，制备出多功能催化剂Na-Fe3O4/HZSM-5，它具有三个活性中心，并表现出互补和兼容的特性。首先，二氧化碳通过Fe3O4位被H2还原成CO，然后CO通过fe3o 4位被氢化成-烯烃。然后烯烃中间体扩散到沸石的酸性位点，在那里发生酸性催化反应。

　　最后，选择性地形成属于汽油范围的异链烷烃和芳烃，并从沸石孔中扩散出来。

　　此外，二氧化碳的转化率和产物的选择性可以通过改变Na-Fe3O4与沸石的质量比来调节。

　　总之，从原理上讲，二氧化碳制汽油并不是特别难。

　　但问题是，这种方法还是要消耗能量的，而且现阶段成本很高。意义何在？

　　研究小组也承认，制备确实需要特殊的催化剂，消耗了大量的能量，甚至比制备的能量还要多。但其意义在于，这种方法可以固化能量，便于运输，固化能量本身也是一个固碳的过程。

　　至于消耗的能源，可以选择风电、光电等在整个电网中占比不高，未来有成本降低前景的。当然，这条路线的前提是使用其他清洁能源作为补充替代——，与可控核聚变等终极解决方案的探索并不相同。

　　可以理解，中科院二氧化碳加氢制汽油技术不仅为能源固化、储存和运输提供了新的途径，也为碳中和计划和可控核聚变商业化提供了更多的缓冲时间。

　　中国科学院大连化学物理研究所，健康生，已获博士学位，目前为硕士生导师。长期从事二氧化碳催化转化领域的基础和应用研究。

　　作为负责人或核心骨干，还承担了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技项目(A类)、辽宁省博士科研启动基金、企业重点发展项目等10余项科研项目。

　　通讯员孙健，中国科学院大连化学物理研究所课题组组长。

　　碳小分子催化转化的长期研究。获得日本工程院院士N. Tsubaki教授的博士学位。主持国家自然科学基金重大研究项目。作为《自然催化》等国际知名期刊的审稿人。

　　最后，还有一个问题。是不是只有中科院在做固碳储能的思考和探索？

　　不完全是。还有其他人在做，比如比尔盖茨。

　　他的方法是利用生物本身的光合作用，把光能变成生物能，然后合成燃料。但他的方法有几道中间工序，效率低，消耗大量耕地。所以一直没有特别重大的突破。

　　相比之下，中科院直接采用光能一步转化为化学能的方案，更先进、更高效、更环保。

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