原创丨二氧化碳制汽油未来可期

  葛庆杰，长期从事多相催化的应用基础研究，以具备极其重大科学意义和应用背景的能源化工反应为对象，进行催化新材料、新工艺、新技术等科学研究，为能源资源的合理化应用提供新型催化材料、工艺和技术。主要研究方向包括：合成气转化/二氧化碳加氢制洁净液体燃料和化学品，多功能催化材料的制备化学，负载纳米金属簇的催化行为，烃类选择氧化制合成气和氢，烃类催化脱氢新材料等。近年来，承担多项国家、科学院和企业项目，在中外著名期刊上合作发表研究论文130余篇。

  2017年5月2日，英国《自然通讯》（Nature Communications）杂志上发表了一篇文章——《将二氧化碳直接转化成汽油》（Directly convertingCO2 into a gasoline fuel）。这篇被审稿人评价为“二氧化碳催化转化领域的突破性进展”的文章，也被《自然》杂志作为重要研究成果进行了报道。文章一经发表就引起了国内外广泛关注。但很快，有人质疑该技术原料的来源无法保障，成本高且难以估算。为此，记者专访了该研发技术团队负责人之一葛庆杰。

  记者：《自然》杂志一直以来被视为科技工作者创新技术的最高展台，恭喜你们取得这样的科研成绩！在您看来，这项研究的出发点与创新意义是什么？

  葛庆杰：非常感谢大家对我们团队工作的关注和认可。这项研究的出发点是拟通过设计一种多功能复合催化剂实现二氧化碳直接加氢制取汽油馏分新过程。因为二氧化碳分子非常稳定，难以活化，与经典的费托合成路线相比，二氧化碳与氢分子的催化反应更易生成甲烷、甲醇、甲酸等小分子化合物，而很难生成长链的液态烃燃料。此次成果的创新点恰恰是用分子非常稳定难以活化的二氧化碳为原料，依靠催化剂直接实现生成长链的液态烃燃料。该技术不仅为二氧化碳加氢制液体燃料的研究拓展了新思路，还为间歇性可再生能源（风能、太阳能、水能等）的利用提供了新途径，为新能源储能方式的升级提供了一条新渠道。

  二氧化碳在自然界中存在循环利用，但并未造成良性循环，每年排放的二氧化碳有一部分在大气中存在积累。此前，二氧化碳循环利用的方式分为化学循环利用途径和生物循环利用途径。化学循环利用途径主要包括二氧化碳转化为一氧化碳、甲烷、甲醇、低碳烃等低碳分子化合物，而生物循环利用二氧化碳的主要途径是植物的光合作用。从二氧化碳加氢产物分析，我们的技术通过化学途径转化出新的长链烃类化合物，可称得上二氧化碳循环利用中一种新的化学循环利用形式。

  记者：您何时开始从事二氧化碳利用技术研究的？这项技术的研发经历了哪些阶段？取得了哪些突破？

  葛庆杰：我在20世纪90年代就读研究生阶段就开始从事二氧化碳转化利用技术的研究，博士论文的第四章就是关于双功能催化剂用于二氧化碳加氢制二甲醚的研究。具体到二氧化碳加氢制汽油馏分烃技术的研发，已经经历了合成气制低碳烯烃铁基催化剂研发、二氧化碳加氢制低碳烯烃高效铁基催化剂研发以及二氧化碳加氢制汽油馏分烃高效多功能催化剂研发等阶段。取得的突破技术主要包括二氧化碳加氢制低碳烯烃高性能铁基催化材料的制备技术、二氧化碳加氢制汽油馏分烃的高效多功能催化剂的设计和制备技术，二氧化碳加氢制高碳烃过程的碳链增长精准控制技术等。

  我们团队最终形成的二氧化碳加氢制取汽油馏分烃技术具备了四大特点：一是在接近工业生产的条件下，该催化剂实现了甲烷和一氧化碳的低选择性，烃类产物中汽油馏分烃（C5-C11）的含量达到78%；二是汽油馏分产物主要为高辛烷值的异构烷烃和芳烃，基本满足国V标准对苯、芳烃和烯烃的组成要求。三是该技术的反应体系具有良好稳定性，可连续稳定运转1000小时以上，有良好的工业应用潜能；四是该技术实现了多功能催化材料上多活性位的高度匹配和催化协同。

  当然，虽然获得了二氧化碳直接转化制汽油燃料的突破，但该技术研发目前仍处于实验室小试阶段，有待进一步放大和中试研究。

  记者：这项技术的催化剂是如何实现这个反应的？在催化剂的研发过程中主要难点是什么？

  葛庆杰：直接转化技术创新成果中最核心的部分就是自主设计的新型钠改性四氧化三铁与HZSM-5分子筛组成的多功能复合催化剂。与传统催化剂不同，此催化剂包含3种相互兼容、相互补充的活性位（四氧化三铁、碳化铁和酸性位）。二氧化碳分子借助于精心构造的三组分活性位实现了“三步跳”的串联转化。二氧化碳首先在四氧化三铁活性位上经逆水气变换反应还原为一氧化碳；生成的一氧化碳在碳化铁活性位上进行费托合成反应，转化为α-烯烃；随后，该烯烃中间物迁移到分子筛上的酸性位上，选择性生成汽油馏分烃。总之，对三活性位结构和空间排布的精准调控是实现二氧化碳加氢制汽油的关键。

  二氧化碳加氢制高碳烃催化过程的研究中，主要突破了二氧化碳吸附活化难、烃类产物选择性控制难、碳链增长难等挑战性难题。此前其他科学实验中这一化学反应所得的烃类化合物中最多只有一半是汽油馏分烃。我们率先实现了二氧化碳高选择性转化制取汽油馏分烃，烃类化合物中汽油馏分烃占比达到78%。

  葛庆杰：我们开发团队不仅完成了技术突破，而且采用了接近工业生产的操作条件和氯化铁等相对便宜的催化剂原料。因此，对于该技术研究的工业化应用，团队还是比较有信心的。但目前由于受到原料来源或经济性等限制，其工业化生产仍然面临许多挑战。

  在文章发布后，我们陆陆续续收到了数十家企业的合作需求咨询。看来大家对这个技术还是很关注的。经过详细沟通、了解，目前我们研究团队已确立企业合作伙伴，共同推进该项技术的中试放大和工业化示范。

  记者：现在大家最关心的问题，一是原料的来源如何保障，二是在制氢气的过程中，不但要消耗大量的能量，还会产生大量的二氧化碳，这样从全过程看并没有减排，能耗也颇高。对此您如何解释？

  葛庆杰：二氧化碳加氢制汽油燃料过程对原料二氧化碳和氢的要求，类似于合成气转化的甲醇合成过程、费托合成过程等对原料合成气的要求，但不同于合成气可从煤、天然气等造气过程直接获得，而二氧化碳和氢气通常分别来自不同的生产工艺。关于社会上关注的两个问题，我们认为这不只是二氧化碳加氢制汽油馏分烃过程面临的问题，而是所有二氧化碳加氢制液体燃料和化学品过程所需面临问题。关于原料，从大气中回收二氧化碳比较困难，也不现实，但可从二氧化碳排放较为集中的化石燃料电厂、钢铁企业、大型化工企业获得，排放前集中回收；关于氢气，即可采用工业废氢，也可采用目前的弃电、弃风、弃光等电解水制氢作为氢源。当然，这只是一种方案，实施起来会存在许多困难，所以我们还要继续攻关。

  记者：有人认为，从能源转换效率和经济性的角度，应用此项技术生产汽油的成本难以估算，效率也不划算，您如何看待这个问题？

  葛庆杰：二氧化碳是稳定的、惰性的化学分子，将其转化无疑会消耗掉其他能源。如二氧化碳加氢转化为汽油燃料，实际上是消耗掉氢气与二氧化碳中氧反应的化学能来生成汽油燃料的。总的来说，二氧化碳催化加氢制汽油馏分烃过程是放热反应，反应条件相对温和，能耗不会太高。从环保角度来讲，二氧化碳转化利用就是二氧化碳减排的一个重要环节，也是可再次生产的能源循环利用的一个重要环节。二氧化碳加氢制汽油馏分烃可实现把温室气体二氧化碳转化为用途较为广泛的汽油燃料。目前该过程的经济性或许不合适，但在氢气廉价、二氧化碳富集的地方会有应用空间。比如航空母舰的舰艇燃料供应，比如对于海上作业场景。目前海上工业设备大规模燃烧化石能源，排放出二氧化碳，溶解在海水里，造成海水酸化，严重威胁海洋生物及海洋环境。通过电解海水，生成氢气和氧气，氧气可以供给海下人员呼吸，而二氧化碳加氢可以生成液体燃料，为相关设备供给能源，形成更好的循环。同时还有利于海水的中性化，改善海洋环境。我相信，该技术能够成为未来新能源领域的一条主要储能渠道。

  葛庆杰：对于面临碳排放隐忧的中国煤化工产业来说，高纯度二氧化碳的富集程度很高。再加上大规模制氢技术的不断进步，二氧化碳加氢制汽油工艺可能是解决煤化工碳排放的手段之一。如果实现了工业化生产，将对中国煤化工产业的发展起到积极的推动作用。

  由《中国煤化工》杂志主办的“2017中国煤化工项目提标改造技术交流会暨第六届《中国煤化工》年会”将于11月22-24日在鄂尔多斯召开。本次会议主题是“煤化工项目提标改造与过程优化”，旨在促进创新技术与装备在煤化工项目升级改进中的应用。本次会议将重点研讨当前形势下，现代煤化工项目提标改造与过程优化的办法，以及进一步延伸产品链、提高经济性的有效途径，积极引导煤化工产业科学、健康、有序发展。有关事宜通知如下：

  国内大型煤化工生产企业、国内外煤化工相关技术探讨研究单位，国内外能源化工管理与研究机构、工程设计院、技术及装备公司等。其中包括《中国煤化工》杂志编委、通讯员等。

  （一）参会费：3500元/人（含会议费、资料费、餐费）。10月31日前汇款参会费3000元/人。住宿统一安排，费用自理。

  （二）优惠：《中国煤化工》杂志编委、协办（支持）单位通讯员免费参会。《中国煤化工》杂志注册通讯员参会2500元/人。