浅谈二氧化碳甲烷化及Ni基催化剂

CO2的回收与资源化利用在环境和能源领域是一个热点研究方向。本文介绍了CO2加氢甲烷化生产CH4的背景及技术研究现状,以及近年来Ni基催化剂用于CO2甲烷化的研究进展,分析探讨了目前提高催化剂CO2甲烷化低温活性的研究方法,及催化剂低温高效性能与其微观结构的关系。     

碳中和技术的化学原理及发展现状

我国于2021年正式提出将在2060年前实现"碳中和"的目标,这离不开先进的化学工艺对碳中和技术的改良和创新。目前常见的实现碳中和的技术有能源结构的变革、碳捕获-转化一体化、CO_2资源化利用,文中揭示了这三种碳中和技术的化学原理并梳理了它们的发展现状,并提出CCUS技术副产氢的利用、氢气耦合CO_2高附加值化学品的制备和CO_2资源的矿产化的相关展望。     

催化甲烷化固碳技术浅析

有效利用工业副产品和燃料燃烧产生的CO_2,能提高工业资源的利用率同时减少排放。碳是一种可再生的资源,利用催化技术固定CO_2生成高附加值产品,实现变废为宝,CO_2甲烷化是一项独特而有前景的技术。本文系统地探讨主流CO_2甲烷化催化剂、反应机理、反应器革新等方面的研究进展,重点分析催化剂的活性位本质、助剂和载体的影响,分类阐述主流反应机理,以期有利于CO_2甲烷化进一步深入研究。     

CO、CO_2及其共存体系的甲烷化反应

介绍了甲烷化的反应体系,CO、CO2甲烷化反应的机理;比较了CO体系、CO2体系和CO、CO2共存体系的甲烷化反应特点以及三种反应体系对催化剂的要求;综述了适用于不同体系催化剂的研究进展,并重点介绍了多种催化剂的载体、助剂与活性组分之间的相互作用方式以及几种催化剂对碳氧化物甲烷化反应的催化机理;甲烷化反应的应用方向逐步从合成氨、合成气制天然气向燃料电池、焦炉煤气等方向扩展,对反应体系的研究也由CO甲烷化体系向CO2甲烷化体系和共存体系方向发展;复合载体负载的多金属催化剂成为现在甲烷化催化剂的主要研究方向,纳米颗粒催化剂、等离子体等技术开始应用于甲烷化催化剂。     

生物质合成气甲烷化机理及催化体系研究进展

天然气的供需矛盾促使人们寻找新的天然气资源,其中利用生物质合成天然气(Bio-SNG)的替代技术受到了全世界的关注。在整个工艺过程中,生物质合成气制取甲烷是关键技术,而甲烷化催化剂是其核心要素。简述了近年来生物质合成气甲烷化机理及其催化体系的研究进展,重点讨论了合成气中CO甲烷化、CO_2甲烷化反应机理,以及甲烷化催化剂中活性金属、助剂和载体对CO甲烷化、CO_2甲烷化以及CO与CO_2共存条件下甲烷化反应性能的影响,分析了目前仍存在的主要问题,并指出了进一步研究的发展方向。     

CO_2非均相催化加氢及氧化脱氢研究进展

综述了CO_2非均相转化为多种化学品的若干途径,主要包括CO_2加氢制甲醇和CO_2甲烷化工艺及作为弱氧化剂氧化低碳烷烃脱氢制烯烃工艺,着重分析了非均相转化过程的关键技术和难点问题,包括催化剂的特性、催化反应机理及工业应用中存在的问题,同时对非均相资源化应用的发展前景提出设想。     

碳中和愿景下有机固废热转化清洁利用技术研究现状与展望

随着全球气候变化的日益加剧以及能源与环境问题的突出,碳中和成为各国追求可持续发展的重要目标。而作为碳排放的主要来源之一,有机固废的资源化清洁利用技术成为了当前研究的热点。通过清洁利用技术可以实现其高效转化和综合利用,为碳中和社会的建设做出积极贡献。在此背景下,综述了有机固废热转化清洁利用技术的研究进展,包括农林生物质能源利用、市政污泥处理处置及生活垃圾清洁利用技术等方面,总结燃烧、热解、气化、水热4种热化学转化技术的国内外研究进展与应用现状,重点阐述了生物质、生活垃圾焚烧发电和热解气化多联产技术以及污泥协同焚烧、热解碳化等工艺。通过深入分析有机固废处理处置的研究应用现状,探讨可行的高值化资源化转化利用技术,提出有机固废热转化的发展方向。进一步梳理了我国有机固废处理处置相关政策文件,总结了有机固废热转化利用过程中环境减排效益,提出了我国有机固废热转化商业模式建议,旨在为推动我国城乡有机固废无害化、高值化、资源化清洁利用和工业应用提供参考。     

熔盐电化学转化二氧化碳制备碳材料的研究进展

温室气体CO_2的大量排放导致了众多的环境问题,因此寻找先进的CO_2铺集转化技术迫在眉睫。近年来,熔盐电化学一步法还原CO_2制备碳材料技术,揭示了减少CO_2排放的潜在解决方案。利用熔盐电化学还原CO_2具有以下优点:高选择性、高效率、低污染以及实现碳中和的可能性等。重点介绍不同形貌碳产物的合成及应用。根据改变合成条件,可以高效地获得碳纳米管、碳纳米洋葱和碳球等高附加值纳米碳结构。对合成参数进行了比较,并对所得碳材料的应用作了简要概述。此外,还对该技术的前景进行了讨论。     

二氧化碳合成甲烷的进展

近年来,世界各国在解决能源紧张、资源短缺、公害严重等问题中,十分关注CO_2化工的开发研究。其基本出发点是把CO_2作为潜在的碳资源,大力进行开发与利用。有关CO_2加氢制备甲烷的工作也在迅速展开。在我国发展煤化工的长期规划中,碳一化学占有重要的地位。因此,CH_4作为碳一化学产品,在我国的开发及利用有着良好的前景。     

CO_2资源化回收技术进展

通过介绍全球及我国近年来CO_的排放状况,首先指出了CO_2回收的迫切性及资源化利用的优势,并以CCS(碳捕集与封存)和CCU(碳捕集与利用)为例,分别介绍了诸如地质封存、海洋封存、化学转化和生物转化等规模化回收利用技术,阐述了这些技术的回收原理、工艺路线、安全环保性、技术优势和工业化案例。通过分析CCS各技术的封存能力、封存效果、技术瓶颈及其工业化推广的进度和潜力,指出CCS技术的全球化应用目前还存在一定的风险和制约;通过对比CCU各技术研究重点、转化瓶颈以及工业化进度等,指出化学转化法是目前最有效的CO_2规模化回收利用技术;还介绍了其它几种具有规模化潜力的CO_2利用新技术。     

二氧化碳转化为合成气及高附加值产品的研究进展

由于二氧化碳（CO₂）过度排放导致全球变暖日益严峻,发展零碳技术已成为人类社会面向可持续发展的战略选择。将CO₂捕集并转化为高附加值化学和能源产品,可以优化化石能源为主体的能源结构、有效缓解环境问题,并实现碳资源的充分利用,是一项可以大规模实现低碳减排的技术。本文重点介绍了CO₂高效利用新途径,通过二氧化碳-合成气-高附加值化学品的产品工艺路线,实现CO₂的资源化利用。对比综述了热催化法、电催化法和光催化法高效转化合成气的最新进展,总结了热、电、光催化制备合成气过程中催化剂的设计原理和方法以及目前工业化应用前景;简单概述了合成气作为重要平台分子,进一步通过费托合成路线或接力催化路线转化为低碳烯烃和液态燃料或芳烃等化学品过程中催化剂设计研究进展。最后,总结了大规模工业化CO₂转化为合成气及高附加值产品过程催化剂设计和反应器优化的技术难题,并对未来CO₂高效转化利用方向进行了展望。同时指出目前各技术还普遍存在反应机理不清晰、催化剂成本高以及缺乏大规模合成等问题,未来开发出高效、高活性、低成本且稳定的催化剂是各技术推广应用的关键。     

Methanation of carbon dioxide: an overview

Although being very challenging, utilization of carbon dioxide (CO₂) originating from production processes and flue gases of CO₂-intensive sectors has a great environmental and industrial potential due to improving the resource efficiency of industry as well as by contributing to the reduction of CO₂ emissions. As a renewable and environmentally friendly source of carbon, catalytic approaches for CO₂ fixation in the synthesis of chemicals offer the way to mitigate the increasing CO₂ buildup. Among the catalytic reactions, methanation of CO₂ is a particularly promising technique for producing energy carrier or chemical. This article focuses on recent developments in catalytic materials, novel reactors, and reaction mechanism for methanation of CO₂.     

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。     

碳中和目标下的煤化工变革与发展

碳中和目标的达成将对我国煤化工产业的发展产生深刻的影响。本文分析了煤炭消费与煤化工的CO₂排放情况及煤化工在国家经济中的作用,指出碳减排技术与煤化工工艺耦合是实现煤化工碳减排与可持续发展的关键,现实地选择优化产业结构与提高能量利用效率的措施可明显但有限地降低CO₂排放量,认为要实现煤化工亿吨级规模的碳减排必须采用绿电绿氢、碳捕获与封存/碳捕获利用与封存（CCS/CCUS和CO₂）资源化利用技术。文中评述了近年来绿电绿氢、CCS/CCUS和CO₂资源化利用技术应用的主要进展,指出2030年碳达峰前这些碳减排技术将处于关键的示范考验期,能否成熟可靠将决定之后的煤化工发展走向,同时预测氢冶金与绿氨合成示范技术的推广应用将可能导致煤化工产业格局的重大变化。最后基于空气直接捕集CO₂技术与光电催化CO₂转化或模拟光合反应的研究进展,设想了未来可能呈现的零碳化工体系。     

多孔有机聚合物催化二氧化碳合成环状碳酸酯研究进展

二氧化碳（CO₂）捕集、利用和储存（CCUS）在全球能源结构转型中是一种极具潜力的策略,能够实现能源供给、基础原料产出以及限制气候变化。多孔有机聚合物（POPs）具有高CO₂吸附容量和吸附选择性、突出的结构特性以及优异的化学可调控性,其作为极具潜力的材料广泛应用于催化CO₂参与的有机反应中。其中,CO₂与环氧化物环加成生成环状碳酸酯的反应具有100%的原子经济性,且其产物也极具工业价值。本文基于CO₂环加成反应催化机制,从催化剂的合成方法、结构性质与组成特性角度出发,综述了POPs在CO₂/环氧化物环加成反应的研究进展,包括金属配合物类、氢键供体类、离子液体类、金属配合物/离子液体和氢键供体/离子液体等有机多孔聚合物体系。通过阐述POPs在催化CO₂制备高附加值环状碳酸酯反应中的研究现状和发展趋势,为POPs的开发与应用以及CO₂综合利用的工业化探索提供具有建设性的指导意见。     

可再生能源驱动的生物催化固定CO2的研究进展

工业发展带来了经济效益的同时，伴随着化石燃料的日益枯竭和CO₂的大量排放，加剧了温室效应，出现了全球变暖的问题。我国在倡导节能减排的同时，大力发展CO₂固定技术，将大气中丰富的CO₂转化为可以供人们利用的化工原料、燃料甚至更高附加值产品，不仅能够保护环境，同时还可提高经济效益。当前全球可再生能源规模的不断扩大缓解了传统能源消耗的压力，同时可再生能源可以为固定CO₂提供可持续的、清洁的驱动能量，并且随着分子生物学的发展，生物法固碳技术越发成熟，同时较其他固定CO₂方法而言，生物法固碳具有条件温和、选择性高、产品多样等优势，因此利用可再生能源耦合生物催化进行CO₂的固定逐渐成为了这一领域的研究重点。本文总结了近年来生物催化与电化学、光化学反应耦合固定CO₂的研究，包括光、电催化与酶催化偶联以及光、电催化与全细胞催化偶联对CO₂的利用，简述了其耦合催化原理与研究进展，并总结了目前研究需要突破的关键技术及提高CO     

二氧化碳甲烷化催化剂的研究进展

CO₂催化加氢甲烷化反应是温室气体CO₂资源化利用的有效途径之一。本文回顾了CO₂催化加氢甲烷化催化剂的研究现状, 其中Ni基催化剂是研究最为广泛的CO₂甲烷化催化剂。重点介绍了Al₂O₃、SiO₂和La₂O₃载体及CeO₂和La₂O₃助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响, 阐述了载体的结构、电子性能、化学性能和助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响。结合几种非Ni基CO₂甲烷化催化剂的对比研究发现, 具有有序介孔结构的Co基催化剂也表现出了优越的CO₂甲烷化性能。由此表明, 催化剂新颖的结构也是影响CO₂甲烷化性能的重要因素, 通过催化剂结构、组成等的调变, 能实现CO₂低温高效甲烷化, 为CO₂甲烷化工业化进程奠定基础。     

微通道内CO2吸收与传质及资源化利用的研究进展

由于在流体流动、传质、传热及反应等方面良好的调控能力,微化工技术成为化工学科重要的发展领域。综述了近年来以CO₂应用为背景的微化工系统中的多相流与传质的研究进展。从流体流动和传质机理出发,分别介绍了物理吸收和化学吸收过程的传质规律。总结了二氧化碳资源化利用的应用进展。展望了微化工技术在二氧化碳吸收与传质方面的发展前景。     

新型VESTA甲烷化工艺路线探究

分析了现有煤制合成天然气技术主要存在的问题，介绍了新型无循环、适应宽氢碳比的VESTA甲烷化技术。VESTA甲烷化技术的显著特征是利用合成气中的CO₂和外加水蒸汽来控制甲烷化反应温升，不需要操作条件苛刻的循环气压缩机；在甲烷化反应之前对原料气只脱硫、不脱碳，甲烷化反应之后再集中脱碳；经中试试验得出原料气中的H₂/CO比不影响最终的SNG产品指标；甲烷化后的粗SNG产品气中的CO₂体积分数高达71%，因而可在脱碳前低成本联产中压液体CO₂产品。这部分液体CO₂产品除了可用泵增压输送到粉煤气化单元用作输送气体外，还可以直接作为副产品为企业增加收益，并间接降低了碳排放。新型VESTA甲烷化技术与现有带循环压缩机的甲烷化技术相比，不但更容易操控，而且还提高了操作的稳定性和安全性，同时又能极大地降低净化装置、甲烷化装置及SNG干燥装置的投资和能耗。因此，采用VESTA甲烷化技术，能有效地提高煤制合成天然气的市场竞争力。     

CO2 高值化利用新途径：铁基催化剂CO2加氢制烯烃研究进展

大气中CO₂浓度逐年升高,而其高值化利用是实现减排的重要途径之一。低碳烯烃是重要的化工原料,CO₂作为碳源加氢制取烯烃（CTO）是缓解化石能源的消耗及温室效应的有效方法之一。铁基催化剂因其优异的催化反应性能,被视为该反应最具应用前景的催化剂之一;但铁基催化剂烯烃选择性仍有待进一步提高。本文综述了铁基催化剂CTO反应研究进展,包括反应热力学分析、理论模型、催化剂设计与开发（助剂和载体对催化剂结构及性能的影响）、反应机理、构-效关系、失活机理等;提出未来催化研究方向,即借助Operando技术聚焦反应过程中催化剂活性相的动态结构变化规律,探究外界因素引起的催化材料表界面的作用机制,为工业催化剂的理性设计提供思路。