催化技术助“碳”转化

“双碳目标”下，如何减少碳排放是全球关注的热点。将CO2定向转化为有价值的化学品、能源与材料，可以缓解环境问题。将CO2定向转化为有价值的化学品、能源与材料，也可一定程度上缓解环境问题，并减缓人类对化石能源的依赖。

在CO2转化过程中，催化剂是转化过程的决定因素之一。CO2催化转化技术的发展同时也是催化工业发展的新机遇，开发高转化率和高选择性的催化剂仍是当前CO2催化转化研究的重点内容。

什么是CO2催化转化？

CO2催化转化是将CO2通过催化反应转化为甲烷、甲醇、一氧化碳、甲酸、低碳烯烃和芳香烃等有价值化工原料的过程。

CO2分子具有较好的稳定性,不活泼,不易发生化学变化,因此CO2的转化利用大多需借助催化技术。CO2催化转化主要通过热催化、光催化、电催化、太阳能光热协同催化和生物催化等技术实现。

催化剂在CO2催化转化中的应用

CO2催化制甲烷催化剂

CO2甲烷化催化剂主要分为贵金属、非贵金属和非金属基3类。贵金属催化剂主要包括Ru、Rh、Pt、Pd及Au等；非贵金属催化剂主要包括Ni、Co、Fe等过渡金属；非金属基主要是胺基功能化石墨烯量子点。

CO2催化制甲醇催化剂

甲醇作为重要的化工原料，广泛用于制造烯烃、汽油、生物柴油和燃料添加剂等，将CO2催化转化为甲醇是非常重要的CO2再利用方法。目前应用最多的催化剂包括Cu基催化剂、贵金属催化剂、In2O3基催化剂和新型异质结构催化剂。

2018年，中国科学技术大学研究团队发现一种新型铂单原子催化剂，该新型催化剂可把二氧化碳这一温室气体高效转化为清洁液体燃料——甲醇。借助科技手段将温室气体“变废为宝”，不仅能缓解碳排放引发的温室效应，还将成为理想的能源补充形式。

CO2催化制甲酸催化剂

甲酸是重要的化工原料，也是一种常用的液态储氢原料，可以将气态氢转化为液态氢，便于储存和运输，实现能量循环。CO2经催化转化为甲酸是生产甲酸的重要反应路径之一。反应最常用的催化剂类型是异质化分子催化剂、金属纳米催化剂或本体催化剂。

CO2催化制一氧化碳催化剂

一氧化碳是合成气和各种煤气的主要成分，并在冶金工业中用作还原剂，通过RWGS反应将CO2催化转化为CO，是CO2加氢转化最有前景的方法之一。

CO2催化制低碳烯烃催化剂

低碳烯烃由于具有不饱和配位键，是很多其他有机物的前驱物，是重要的化工原料，目前已知Fe、Co、Mo、Ru、Ni等组分对合成低碳烯烃具有较高的催化活性。

CO2催化制芳香烃催化剂

芳香烃尤其是苯、甲苯和二甲苯（BTX），是生产合成橡胶、尼龙、树脂、香料和药物最重要的基础化学原料，CO2加氢合成芳香烃是一种非石油路线合成芳香烃的技术。

CO2定向转化为高附加值化工原料是实现“双碳”目标的途径之一。但CO2作为惰性气体不易发生反应，常需采用催化剂降低反应能垒才能发生。尽管目前在新型催化剂的研究上取得了诸多进展，但距离大规模工业化仍有距离。因而在实现“双碳”目标的背景下，开发高转化率的新型CO2转化催化剂仍将是未来研究的重点内容。

中国科协科普部

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