有限公司₂回收利用——一场艰苦的斗争

在有活火山的岛屿上生活也有不利的一面。但它也有很多好处。冰岛是一个位于北大西洋与北极圈交汇处的岛国，其所有电力和区域供热都来自可再生的地热、水力和风能，这一点令人羡慕。

考虑到冰岛完全没有化石燃料发电站，它似乎不太可能成为世界上第一个回收CO的设施₂排放成燃料。但这正是冰岛公司国际碳回收组织(CRI)过去五年一直在做的事情。

由于热岩的地球化学，CO₂自然地从地热活跃地区进入大气。它也溶解在当地的地下水中。当这种免费的热水通过地热发电厂输送时，其结果是一股浓缩的二氧化碳流，可以被捕获。

给俘获的CO₂在美国，CRI在多相催化剂上加入氢气，得到甲醇。该公司以高于化石燃料衍生甲醇的价格出售这种多功能分子，用作可再生燃料和化学原料(见氢经济）.

CRI并不是唯一一家致力于通过回收CO来制造商业产品的公司₂排放。即使是大的行业参与者，如Covestro拜耳材料科学公司(Bayer MaterialScience)正在接受这一想法。与此同时，越来越多的学术实验室正在探索修复这种麻烦的温室气体的新方法，并表明从这种长期被视为死胡同的分子中可以获得令人惊讶的丰富化学成分。在设计化学产品时，围绕一氧化碳的使用，这远非妥协₂作为原料比传统路线有优势。

促进变革

英国牛津大学，化学家夏洛特·威廉姆斯一直在研究用植物来源的材料制造绿色聚合物的方法，而使用CO₂作为聚合物原料，她在21世纪初开始工作。“我开始着迷于使用一氧化碳的想法₂作为一种资源，它克服了传统生物炼制所面临的一些问题。”固体植物材料的加工是一个相当大的挑战。但有限公司₂是一种气体，所以它的性质和物理化学更类似于今天用来制造聚合物的单体。我觉得CO这个想法很有趣₂并尝试将其放入聚合物骨架中。”

她补充说，另一个吸引人的地方是，试图在一个分子上进行化学反应的纯粹挑战，因为它是许多过程(包括燃烧和代谢过程)的热力学终点。有限公司₂就是你把碳氢化合物的能量榨干后剩下的东西。把它重新变成有用的东西是一场艰苦的战斗。威廉姆斯说:“但这是一个很好的催化机会，可以找到减少激活障碍的途径。”目前有效的催化剂范围相当有限。

一个公司₂William正在进行的催化项目是与英国帝国理工学院的化学家和工程师长期合作，生产CO₂为甲醇。与冰岛的CRI一样，该团队的目标是使用可再生电力来电解水，然后将产生的氢与CO结合₂通过催化制甲醇。他们的不同之处在于他们开发的铜锌氧化物催化剂。¹威廉姆斯说:“我们的方法的不同之处在于，我们已经提出了明确的方法来制造非常小的纳米颗粒，稳定为胶体。”

使用稳定的纳米颗粒的一个优点是，你可以最大限度地扩大催化剂的表面积，以驱动反应。该系统的另一个吸引力在于，通过改变纳米颗粒的合成过程，有可能改变——并有望优化——催化剂两种组分之间的界面。威廉姆斯说:“这就是我们正在研究的假设——找到更好的方法来控制铜和氧化锌之间的界面，将使你提高效率。”

澳大利亚阿德莱德大学的克里斯蒂安·杜南(Christian Doonan)和他的同事们应用了类似的原理来改进一个密切相关的反应，即CO的催化转化₂氢生成甲烷。

作为一名金属有机框架(MOF)化学家，Doonan一直在研究如何使用这些多孔材料捕获CO₂当他被吸入一氧化碳时₂他怀疑财政部在这方面也能有所帮助。

“二氧化碳的商业催化剂₂甲烷化是由镍制成的。但镍存在寿命、稳定性和中毒等问题。”杜南说。他补充说，在实验室中，在金属氧化物载体上的钌基催化剂已被证明是非常稳定和活跃的反应催化剂。

尽管名字如此，但支撑材料不仅仅是将催化金属固定在适当的位置。它们已被证明在催化过程中起着积极的作用。杜南说:“理论上，金属氧化物上会有局部缺陷，从而激活二氧化碳分子，促进钌纳米颗粒的催化作用。”

目前，这些催化剂的唯一缺点是钌的高成本。“我们想，你能不能开发一种使用更少钌的多孔金属氧化物催化剂?”

答案吗?是也不是。尽管研究小组通过将钌与氧化锆基MOF结合得到的材料实际上并不是多孔的，但它是一种高效的CO₂甲烷化催化剂,²即使使用1wt%的钌。MOF的表面充当了钌纳米颗粒形成的模板，高度分散在整个表面。结果是，基本上所有的钌都暴露在表面，可用于催化。杜南说:“MOF模板给了你一种非常独特的结构，这是任何其他合成途径都无法达到的。”他补充说，粗略计算表明，用含有75克钌的催化剂一周可以生产大约168吨甲烷。

一种探索的途径是，同样的模板技巧可能适用于其他催化剂。例如，它可以大幅降低石化行业用于加氢反应的钯催化剂的成本。

该团队已经在与潜在的行业合作伙伴进行谈判，以开发CO₂甲烷化过程。虽然催化剂在纯CO中效果很好₂而氢气，在200小时后活性没有下降，Doonan正在与一家公司进行谈判，他们热衷于在一个项目上合作，在现实世界的气流中测试催化剂。

无期徒刑

尽管包括CO₂变成一个分子，作为燃料燃烧，抵消了化石燃料，否则将燃烧的CO₂很快就会再次进入大气层。

一个更持久的解决办法是合并CO₂变成一种化学物质，可以用作制造材料的原料。对CO采取这种方法还有另一个原因₂回收原料化学品的价格要比燃料高得多。他说，我的观点是，在考虑有竞争力地生产燃料之前，你必须能够有竞争力地生产化学品，因为化学品比燃料有价值得多Matthew Kanan他是美国斯坦福大学的合成和催化化学家。

不是从CO中制造化学物质₂是很容易的。“我教有机化学，我们教你可以用格氏试剂或有机锂试剂与CO结合₂并生成羧酸盐，”凯南说。“从合成化学的角度来看，这是制造羧酸盐的好方法，但从CO来看₂从使用的角度来看，这些方法完全没有价值。”The energy and emissions involved in generating these reagents would be so high they would completely negate the benefit of using CO₂．

所以Kanan尝试用最简单的方法来实现碳碳键的转化₂．^3.“我们得出的结论是，如果我们能把碳氢键用碳酸盐脱质子，碳酸盐是一种非常丰富的碱，但碳足迹很小，那么我们就可以产生一种碳离子，用CO来捕获。₂他说。

化学反应起作用了。“诀窍在于摆脱溶液相化学，”卡南说。该团队没有使用溶剂，而是将碱金属碳酸盐盐的混合物加热到200°C左右。他补充说:“在这种介质中，分子的酸碱性质与你在水或有机溶剂中观察到的完全不同。”“你可以做很多其他方法做不到的去质子化。”

该团队开发的最广泛的应用是合成呋喃-2,5-二羧酸(FDCA)，这是一种生物基分子，具有许多应用，包括作为聚乙烯呋喃羧酸酯(PEF)的原料，PEF是广泛使用的不可再生聚合物聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)的绿色替代品。

目前，FDCA是由果糖通过“非常讨厌的氧化步骤”制成的，Kanan说。他的另一种方法是将糠酸盐(一种工业上从木质纤维素植物废料中产生的分子)加入CO₂给FDCA。

“如果你的目标是商品规模的羧酸，大多数方法都涉及到氧化，而这些氧化是一种负担，它们很昂贵，因为它们通常处于非常腐蚀性的条件下，”卡南说。“如果有其他选择，化学工业希望避免这些氧化反应的原因有很多。

这就是我们认为的第一个重大机遇。如果你能提供羧酸和二羧酸的路径你可以使用碳氢键和CO₂而碳酸盐，那么不管你是否关心碳足迹，与今天所做的相比，它可能只是一个真正令人信服的综合目标。卡南的团队目前正在与几个潜在的工业合作伙伴进行讨论。

当威廉姆斯刚搬到监狱的时候₂她最初的目标是在2003年进行再利用研究，将这种分子整合到大规模商业聚合物的碳主链中。Williams的目标不是PEF，而是可再生聚碳酸酯多元醇，一种用于制造聚氨酯的有价值的聚合物。

传统上，多元醇是由化石燃料衍生的环氧化合物开环聚合而成。Williams和她的团队提出了一种催化剂，可以形成一种聚合物，其中聚合物链中的每两个单体都是CO₂分子。

威廉姆斯说:“我们发现一个成功的策略是开发我们所谓的双核催化剂。”“这是一种均相催化剂，其中含有两种相互靠近的金属。”Inexpensive metals such as zinc and magnesium work well, and the best catalysts are the ones that contain one atom of each metal. ‘We’ve carried out quite a lot of kinetic studies over the years and we believe both metals are integral in the catalytic cycle – the polymer chain shuttles between the two metals.’

催化剂不仅有效。同样重要的是，它在CO的低压下工作₂，甚至低至1巴。这使得它与现有的制造多元醇的基础设施兼容，而且改造起来要简单得多。2011年，威廉姆斯成立了一家分拆公司Econic Technologies，将她的多元醇催化剂技术商业化。

他说:“我们正在与业内的许多合作伙伴合作。罗威娜sellen他是公司首席执行长。他说，该行业还有其他人在研究CO₂但我们提供的独特功能之一是改装能力。”澳门万博公司

化学工业并不知道如何处理CO₂，但这是化学家的工作

Matthew Kanan，斯坦福大学

该公司的另一个优势是独特的能力来调整CO的数量₂塞伦斯认为，最终的聚合物。Williams的原始催化剂体系提供了最大的CO₂掺入，聚合物链上的每一个单体单位都被CO取代₂．它吸收的二氧化碳最多₂，但引入了原有聚合物性质的最大变化。“我们已经发展了最新一代的技术，可以调节CO的含量₂Sellens说，这样你就可以根据应用定制聚合物的特性。他说，我们相信这将大大扩大苹果在中国市场的影响力。

Econic希望其行业合作伙伴能在未来两到三年内将首批产品推向市场，降低碳排放。“每一吨二氧化碳₂你使用，因为你需要使用更少的环氧丙烷你避免了2吨的CO₂Sellens说。我认为这是这项技术的有力论据。

就找一个这样的CO₂凯南认为，回收过程将在工业中运行，闸门将打开。他说，如果有人能做到这一点，我认为这真的会改变整个行业的心态。

“化学工业并不真正关心他们的原料是什么，”卡南补充道。“它们是在碳氢化合物中长大的，而且非常擅长处理碳氢化合物。他们真的不知道该怎么处理一氧化碳₂但这是化学家的工作，如果我们能告诉他们该怎么做，他们就能出色地缩放东西，并使它们变得超级高效。

“我希望社区里有人能证明CO是可行的₂凯南说:“这是一种非常令人信服的综合方法，比传统方法更好。”这将是一个真正的分水岭时刻。

詹姆斯·米切尔·克罗是澳大利亚墨尔本的科学作家