《能源與環(huán)境科學(xué)》封面報(bào)道石油化工過(guò)程“碳中和”的最新研究成果
碳捕集和高效利用（CO2 capture and utilization, CCU）是解決全球變暖危機(jī)的一種有效方案，其中工業(yè)綠色低碳制造是我國(guó)十四五“碳中和”的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。石油化工工業(yè)高溫制造過(guò)程例如乙烯裂解，每生產(chǎn)1噸乙烯燃燒天然氣所產(chǎn)生的二氧化碳高達(dá)1-2噸，乙烯全球產(chǎn)能高達(dá)1.7億噸，將產(chǎn)生大量CO2溫室氣體。為實(shí)現(xiàn)“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，石化工業(yè)過(guò)程綠色低碳制造已刻不容緩。如果將捕集的碳作為資源，產(chǎn)生具有附加值的產(chǎn)品，將為企業(yè)完成“碳中和”指標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)回報(bào)，具有重要的發(fā)展前景。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，化學(xué)與分子工程學(xué)院胡軍教授聯(lián)合英國(guó)謝菲爾德大學(xué)王美宏教授在錢鋒院士團(tuán)隊(duì)和劉洪來(lái)教授團(tuán)隊(duì)支持下，通過(guò)合成具有吸附/催化雙功能的復(fù)合材料，將鈣循環(huán)（Calcium-looping，CaL）和逆水煤氣變換反應(yīng)（RWGS）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在同一反應(yīng)塔相同溫度下，對(duì)工業(yè)裂解煙氣進(jìn)行CO2高溫捕集和原位轉(zhuǎn)化。該集成技術(shù)具有優(yōu)異的高溫CO2捕集性能，材料的CO2吸附容量高達(dá)9.0 mol/kg，成功地解決了CaL過(guò)程CaO易燒結(jié)的工程瓶頸問(wèn)題，獲得長(zhǎng)效循環(huán)操作穩(wěn)定性；首次提出了“氧化還原異質(zhì)結(jié)（Heterojunction-Redox）”的雙金屬催化策略，使CO2原位轉(zhuǎn)化率接近90%，產(chǎn)品氣中CO選擇性接近100%，避免了后續(xù)分離的工程復(fù)雜性。
該集成技術(shù)充分利用高溫?zé)煹罋鉄嶂担?/span>幾乎不需要額外的反應(yīng)能量輸入，并大幅度降低了常規(guī)CO2捕集降溫、反應(yīng)升溫的巨大能耗。同時(shí)，碳捕集和轉(zhuǎn)化在同一塔中即可實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)CO2捕集與轉(zhuǎn)化分別單獨(dú)運(yùn)行的工藝相比，節(jié)約了大量公用、輔助設(shè)備的大規(guī)模投資，以及氣體分離、壓縮、輸運(yùn)、管網(wǎng)的初期建設(shè)和運(yùn)行的費(fèi)用，操作成本大幅度下降，約為最新文獻(xiàn)報(bào)道的CaL捕集和RWGS轉(zhuǎn)化單獨(dú)操作成本之和的1/3，并且該技術(shù)所產(chǎn)生的合成氣，為后續(xù)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品例如甲醇和乙烯等提供了原料氣。因此，高效、節(jié)能、低成本的CaL/RWGS集成工藝技術(shù)為加快推進(jìn)綠色石油化工制造提供了創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)。
該項(xiàng)研究工作由博士研究生邵斌等完成，得到了資源與環(huán)境學(xué)院汪華林教授、信息科學(xué)與工程學(xué)院杜文莉教授、化工學(xué)院李濤教授、周興貴教授、徐晶教授、以及中科院過(guò)程工程研究所張香平研究員悉心指導(dǎo)和大力幫助；同時(shí)感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科技創(chuàng)新計(jì)劃等項(xiàng)目的資金支持。研究成果“Heterojunction-redox catalysts of FexCoyMg10CaO for high-temperature CO2?capture and in situ conversion in the context of green manufacturing”以封面論文發(fā)表于最新一期能源與環(huán)境國(guó)際頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science (IF=30.29)，并申請(qǐng)了2項(xiàng)專利（CN112569896 A；CN112569739 A）。
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