CO2化学转化基础与应用研究进展

针对CO₂排放这一全球性问题，我国明确2030年碳达峰、2060年碳中和的战略目标。发展高效CO₂化学转化技术是推进该战略目标实现的关键。通过CO₂化学利用技术可将廉价无用的温室效应气体转化为具有极高经济价值的重要化工产品，但目前仅有少数技术可以实现工业化应用。在此背景下，本文从CO₂利用技术的转化方式出发，阐述了各技术的基本原理，总结了国内外相关团队在CO₂化学利用技术基础与应用研究中的进展（包括CO₂加氢技术、CO₂甲烷重整、CO₂酯化反应、CO₂矿化利用），指出了目前CO₂化学利用技术研究所面临的挑战。最后，本文展望了各种CO₂化学利用技术的发展方向，并提出了发展建议。     

CO2化学转化研究进展概述

CO₂的化学转化以获得具有经济价值的能源或化学品为目标,可实现CO₂的资源化循环利用,是解决中国碳排放问题的理想方式之一。但由于CO₂极其稳定且转化路径复杂,导致其转化率低且产物选择性不佳。开键还原和不变价化合是CO₂化学转化的两条基本路径。在开键还原方面,CO₂加氢还原已有工业示范装置报道,但单程转化率较低且选择性不足;而CO₂光电还原目前尚处于实验室研发阶段。在化合转化方面,可将CO₂转化合成为碳酸酯/聚碳酸酯,或通过矿化过程实现CO₂的转化与利用,但反应系统的转化效率以及转化过程的经济性仍有待提高。在此背景下,科技部2016年启动了“基于CO₂高效转化利用的关键基础科学问题”国家重点研发计划项目。在未来的研究工作中,将阐明CO₂光电还原和加氢还原的微观动力学机制与能量传递路径,建立更加可控的催化剂制备方法,实现CO₂还原新途径与新技术的突破;研究CO₂与离子液体相互作用机制、催化转化过程及介质强化反应-传递耦合规律;揭示非碱性矿活化CO₂过程的相变规律和矿化反应原理,为CO₂转化与利用的大范围推广奠定基础。     

二氧化碳的活化及其催化加氢制二甲醚的研究进展

CO₂是一种稳定的物质,其化学惰性限制了CO₂转化技术的发展。本文介绍了化学催化、生物活化、光电活化及等离子体活化等CO₂活化方式,从CO₂催化加氢合成二甲醚的工艺研究、催化剂开发、催化加氢机理和本征动力学研究等方面综述了CO₂催化加氢合成二甲醚的研究进展,认为化学催化法是目前应用最广泛的一种CO₂活化方式。对于一步法催化CO₂加氢合成二甲醚的工艺,其难点是制备高效CO₂活化催化剂。开发高效的CO₂活化及转化催化剂及对CO₂合成二甲醚的反应过程进行机理探究,是推广CO₂转化技术的关键。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

二氧化碳转化催化剂研究进展及相关问题思考

CO₂化学利用对碳资源利用、化解产能过剩、完善相关产业链有重要意义,CO₂转化催化剂研究因此受到广泛关注。针对具有规模应用前景的CO₂加氢合成甲醇、CO₂甲烷化和甲烷CO₂重整催化剂研究现状与存在问题,讨论了计算催化和催化剂强化制备在研究新型高效CO₂转化催化剂中的重要应用,说明了CO₂负离子的潜在应用价值;以等离子体强化制备催化剂为例,强调了多学科交叉的重要性。讨论了制备有利于传热、活性组分优化的结构化催化剂在进一步改进催化剂活性中的重要作用。指出了CO₂温室效应的复杂性,还有一些问题(如人类活动对地球磁场影响进而对气候的影响)并不清楚,强调了加强基础研究对解决这些问题的重要性。     

金属酞菁/卟啉分子电催化CO2还原的研究进展

大气中日益增加的CO₂浓度导致了气候变化等环境问题。将CO₂催化转化为有价值的化学品具有重要意义。利用太阳能、风能等可再生能源产生的电能,通过电化学方法将CO₂还原转化为有价值的碳基化合物是最具有应用前景的方式。分子催化剂具有明确的结构和清晰的活性位点,可实现基于机理的性能优化。综述了近年来金属酞菁/卟啉分子在电催化CO₂还原为CO的实验和理论方面的最新研究进展。首先,介绍了金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原为CO的详细机理。然后,重点介绍了如何通过分子分散和配体修饰提升金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原为CO的活性和选择性。最后,讨论了金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原存在的挑战及其可能的解决方案。     

CO2加氢制低碳烯烃催化剂的研究进展

CO₂加氢制低碳烯烃不仅可以节约化石燃料,还可以将化工产业的废产物CO₂加以转化利用,既可以减少CO₂造成的环境问题,又可以制备人们生活中必需的化学品。合理开发利用CO₂能够代替化石燃料,对人类生产生活和经济发展具有重要意义。该文详细叙述了CO₂加氢合成低碳烯烃的反应机理。针对CO₂加氢制备低碳烯烃的两条路径CO₂-Fischer-Tropsch直接法(CO₂-FT)和甲醇介导间接法(CO₂-MTO),分别阐述了两种路径所用催化剂类型、助剂、载体对CO₂转化率和烯烃选择性的影响,最后对CO₂加氢制低碳烯烃催化剂的研究方向进行了展望。     

光电催化二氧化碳能源化利用研究进展

CO₂能源化利用面临的主要问题是能耗问题和氢源问题。光电催化实现CO₂的能源化利用的核心为利用光催化剂的催化活性,光激发条件下产生光电子,减少外界能量输入,同时利用电催化活性提高CO₂还原产物的选择性和可控性。文章主要从光电催化的优势、反应机理、研究现状、催化剂、最新研究成果等方面综述了光电催化CO₂能源化利用的研究进展。具体阐述了光电催化体系的组成、CO₂的电子还原过程及目前存在的问题,重点探讨了光电体系的电极材料组成、电解液组分以及常见的光电催化剂类型对整个光电催化体系催化性能的影响。此外,指出了当前光电催化CO₂能源化利用方面存在的不足：转化效率低、产物选择性差等。并对光电催化实现CO₂能源化利用的研究重点,即高效光电催化剂的开发、催化过程动力学反应机理进行了展望。     

CO2的电驱动还原

CO₂的过量排放已威胁到了环境与能源的可持续发展,通过化学或生物手段将其转化为化工原料或生物燃料能够有效缓解由CO₂过量排放造成的能源与环境压力。然而CO₂的还原过程是非自发且缓慢的,依赖于外部提供的能量和催化剂。如何实现长效的能量供给并针对性开发高性能的催化剂是CO₂回收转化技术的重点。利用稳定、清洁的电能作为驱动力,在催化剂的协同下将CO₂增值为化学品并实现碳中性循环。这种策略被称为CO₂的电驱动还原,在CO₂转化方面优势显著。从CO₂无机电催化和CO₂微生物电合成2个方面综述了近年来CO₂电驱动还原的研究进展。首先,对比和讨论了CO₂的无机电催化中不同类型的电催化剂的特性,以及优化和改性的手段。其次,总结阐明了微生物电合成中电极与微生物催化剂之间直接和间接的电子传递方式,并重点讨论了不同电子载体（H₂、甲酸、天然和人工的氧化还原电子载体）介导的间接电子传递的相关工作。最后总结展望了CO₂电驱动还原系统的发展。     

N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)溶液CO2吸收解吸性能的实验研究

胺法捕集回收二氧化碳工艺存在的最大缺陷是高吸收速率与低再生能耗不能共存,高效溶剂的开发是解决这一问题的有效途径之一。为筛选出吸收解吸综合性能良好的吸收剂,本文利用溶剂快速筛选实验装置对几种不同醇胺吸收剂进行了实验研究,主要从溶液吸收负载、吸收速率、解吸负载、解吸速率、循环容量及相对再生能耗等方面进行了分析比较,实验结果显示N,N-二乙基乙醇胺(DEEA)溶液表现出较好的CO₂捕获性能。此外,通过溶解度装置、填料吸收塔及再生塔分别对DEEA溶液的平衡溶解度、传质系数及再生能耗进行了实验研究与验证。实验结果表明:增加溶液浓度会降低其CO₂平衡溶解度;增加CO₂分压能增加其CO₂平衡溶解度;增大进料温度能增加溶液在填料塔中的传质系数;提高富液负载及贫液负载会降低溶液的再生能耗。因此,基于其较好的吸收解吸性能,DEEA是一种可以工业化应用的潜在吸收剂。     

金属有机骨架材料在CO2/CH4吸附分离中的研究进展

CO₂/CH₄分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料（metal organic frameworks,MOFs）由于其优异的CO₂吸附分离性能,被视为最具潜力的CO₂分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO₂/CH₄吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

CH4/CO2混合气置换强化含氮低品质甲烷的浓缩

针对CO₂置换吸附分离CH₄/N₂过程中CO₂再生困难的问题，采用少量产品气CH₄真空吹扫以提高CO₂的解吸效果，并以解吸得到的CH₄/CO₂混合气为置换步骤的置换气，通过置换来强化含氮低品质甲烷的浓缩过程。以自制椰壳活性炭为吸附剂，对CH₄/CO₂混合气置换强化吸附回收含氮低品质甲烷工艺过程进行了实验与模拟研究。在gPROMS软件中建立并求解固定床吸附分离模型方程，预测了CH₄、N₂ 和CO₂在自制椰壳活性炭上的竞争吸附穿透曲线，通过预测结果和实验的对比，验证了数学模型方程的准确性。对比了不同置换气强化吸附分离低品质甲烷的效果，结果表明CH₄/CO₂混合气置换强化相对于CO₂置换强化可获得更高纯度产品。进行了CH₄/CO₂混合气置换强化真空变压吸附循环实验，可以将14%的CH₄/N₂和53%的CH₄/CO₂联合富集到98.8%，同时获得77.8%的回收率。     

Intensification of low-grade methane enrichment in nitrogen mixture by CH4/CO2 displacement

To solve the problem of CO₂ uncompleted desorption in the process of CO₂ displacement enhancing the adsorption separation of CH₄/N₂, a small amount of product gas CH₄ was used as purge gas to improve the CO₂ desorption. CH₄/CO₂ mixture gas obtained from desorption step was recycled as the displacement gas to enhance the enrichment of low-grade methane in nitrogen mixture. In this work, the research conducted the experiments for CH₄/N₂ separation using CH₄/CO₂ displacement intensification adsorption and the laboratory-made coconut shell activated carbon as sorbent. The mathematical models were built in gPROMS and the accuracy of models was verified by comparison of simulations and CH₄/N₂/CO₂ breakthrough experiments. The performance of enrichment of low-grade methane with displacement intensification using different displacer was compared. The result showed that the process with CH₄/CO₂ displacement had higher purity product than CO₂ displacement. The CH₄/ CO₂ mixed gas replacement enhanced vacuum pressure swing adsorption cycle experiment was carried out, which can jointly enrich 14% CH₄/ N₂ and 53% CH₄/CO₂ to 98.8%, and at the same time obtain a recovery rate of 77.8%.     

CO_2催化加氢制甲醇进展

CO_2的大量排放给人类生存环境带来威胁的同时也造成资源的严重浪费,实现资源→CO_2→资源的可持续循环是解决该问题的理想途径,因此,CO_2加氢制甲醇倍受关注。国外完成中试试验,国内仍处于小试阶段。受CO_2富集及H_2制取成本的限制,CO_2加氢制甲醇技术须利用先进技术与可再生资源获得廉价的原料气。Cu-Zn系催化剂为有工业化前景的CO_2加氢制甲醇催化剂,但存在活性与选择性差的问题,未来活性组分高度分散和具有高比表面积的纳米催化材料的研制是比较可行的研究思路。     

CO2 capture by double metal modified CaO-based sorbents from pyrolysis gases

High-temperature pyrolysis technology can effectively solve the problem of municipal solid waste pollution. However, the pyrolysis gas contains a large amount of CO₂, which would adversely affect the subsequent utilization. To address this problem, a novel method of co-precipitation modification with Ca, Mg and Zr metals was proposed to improve the CO₂ capture performance. X-ray diffraction (XRD) patterns and energy dispersive X-ray spectroscopy analysis showed that the two inert supports MgO and CaZrO₃ were uniformly distributed in the modified calcium-based sorbents. In addition, the XRD results indicated that CaZrO₃ was produced by the reaction of ZrO₂ and CaO at high temperatures. The effects of doping ratios, adsorption temperature, calcination temperature, CO₂ concentration and calcination atmosphere on the adsorption capacity and cycle stability of the modified calcium-based sorbent were studied. The modified calcium-based sorbent achieved the best CO₂ capture performance when the doping ratio was 10:1:1 with carbonation at 700 ℃ under 20% CO₂/80% N₂ atmosphere and calcination at 900 ℃ under 100% N₂ atmosphere. After ten cycles, the average carbonation conversion rate of Ca-10 sorbent was 72%. Finally, the modified calcium-based sorbents successfully reduced the CO₂ concentration of the pyrolysis gas from 37% to 5%.     

Amine-based solvent for CO2 absorption and its impact on carbon steel corrosion: A perspective review

Carbon dioxide (CO₂) is one of the commonly emitted gaseous by-products in industrial processes. While CO₂ gas is the main cause to greenhouse effect, various CO₂ capture technologies have been proposed and implemented to sequester the CO₂ before the waste gases being released into the atmosphere. One of the mature technologies for CO₂ absorption is by using amine-based solvents. In this regard, different single amine solvents or blended amine solvents have been proven for their capability to remove CO₂. However, the dissolution and reaction of CO₂ gas with the amine solvents turn the solution corrosive. Such phenomenon is undesired as it posts corrosion problem to the absorption column, which normally built of carbon steel material. Henceforth, understanding the behaviour of different amine-based solvents in absorbing CO₂ and its subsequent impact on carbon steel corrosion is very significant. In this review article, we will outline some of the more commonly used solvents and their respective advantages and disadvantages, motivating further investigation into the corrosion tendency. Meanwhile, existing gaps in this research area are discussed for future investigation.     

吸收-微藻法固定燃气电厂低浓度CO2同步产油技术研究进展

燃气电厂利用稳定、清洁的化石能源发电,在“双碳”背景下发电过程产生的低浓度CO₂的捕集和资源化利用,对于实现碳中和至关重要。针对低浓度CO₂捕集难度大、脱附费用高的问题,利用CO₂吸收液同步培养微藻产油提供了一种实现低浓度CO₂捕集与资源化利用于一体的新途径。具有高CO₂捕集能力和同时快速培养微藻能力的吸收液是溶液设计和配制的决定性因素。本文总结了现有吸收液的应用现状,梳理出复合吸收液耦合微藻营养调控的碳捕集发展前景,其中吸收液的碱度和盐度对微藻同化CO₂具有显著影响。讨论了在不同温度和光照的工艺条件对微藻生物转化CO₂的影响,阐述了CO₂气体以微孔鼓泡和气升导流的方式通入反应器对CO₂捕集和微藻生长的不同效果。从促进微藻吸收CO₂同步产油的角度,介绍了藻种诱变驯化和基因改造以提升环境适应性同时增强脂质生产的研究进展,最后通过经济分析展望了规模化应用吸收-微藻法的经济可...     

基于pH测量的CO2吸收到钠基溶液动态实验及模型

采用基于pH测量的CO₂吸收速率研究方法。将pH与溶液中的成分相关联,采用分段拟合获得CO₂吸收速率,获得溶液成分对吸收速率的影响规律。对于低浓度的NaOH来说,吸收速率一直保持不变直到CO₂物理吸收到NaHCO₃溶液中。对于高浓度的NaOH,NaOH完全转化成Na₂CO₃时,吸收速率降低。但在两个吸收阶段中,吸收速率不变,CO₂物理吸收到NaHCO₃中时,吸收速率随CO₂饱和度的增加而降低。对CO₂吸收到NaOH中,CO₂和钠离子浓度都促进吸收,钠离子浓度影响更大;对于CO₂吸收到Na₂CO₃中,当Na₂CO₃浓度大于0.05mol/L,吸收速率不随浓度增加;对于CO₂吸收到NaHCO₃中,低浓度的钠可以促进CO₂吸收,而高浓度的钠抑制CO₂吸收,这主要由于析盐的作用。为避免CO₂大量吸收,优先选择0.5mol/L以上浓度的NaHCO₃。     

Covalent organic frameworks-incorporated thin film composite membranes prepared by interfacial polymerization for efficient CO2 separation

Thin film composite (TFC) membranes with nanofillers additives for CO₂ separation show promising applications in energy and environment-related fields. However, the poor compatibility between nanofillers and polymers in TFC membranes is the main problem. In this work, covalent organic frameworks (COFs, TpPa-1) with rich —NH— groups were incorporated into polyamide (PA) segment via in situ interfacial polymerization to prepare defect-free TFC membranes for CO₂/N₂ separation. The formed covalent bonds between TpPa-1 and PA strengthen the interaction between nanofillers and polymers, thereby enhancing compatibility. Besides, the incorporated COFs disturb the rigid structure of the PA layer, and provide fast CO₂ transfer channels. The incorporated COFs also increase the content of effective carriers, which enhances the CO₂ facilitated transport. Consequently, in CO₂/N₂ mixed gas separation test, the optimal TFC (TpPa_0.025-PIP-TMC/mPSf) membrane exhibits high CO₂ permeance of 854 GPU and high CO₂/N₂ selectivity of 148 at 0.15 MPa, CO₂ permeance of 456 GPU (gas permeation unit) and CO₂/N₂ selectivity of 92 at 0.5 MPa. In addition, the TpPa_0.025-PIP-TMC/mPSf membrane also achieves high permselectivty in CO₂/CH₄ mixed gas separation test. Finally, the optimal TFC membrane showes good stability in the simulated flue gas test, revealing the application potential for CO₂ capture from flue gas.