二氧化碳制汽油成功！中科院出品，千吨产能商业化试点已经开始

贾浩楠 发自 副驾寺智能车参考 | 公众号 AI4Auto

一个重大进展，刚被对外通报：中科院的二氧化碳制汽油科研项目，成功了！

不但成功，而且商业化在即。

成果出品方中科院大连化物所，团队主导的全球首套千吨级二氧化碳加氢制汽油设备，表示已经成功开机运行。

为什么算是重大进展？跟汽车燃油补能直接相关，影响的是国计民生。

远的不说，就在最近短短几天，油价都已突破天际，最高的海南地区，92号汽油甚至高达9.16元/升。

95号汽油加满一箱，更是要多花100多。

而中科院实现的二氧化碳制汽油，出来就是符合国六标准的产品。

这项技术，有据可查的研究立项，从2017年就开始了。

几年来历经实验室小试、百克级单管评价试验、催化剂吨级放大制备、中试工艺包设计等过程，2020年在山东邹城工业园区建设完成千吨级中试装置。

而就在几天前，装置成功开车，完成了投料试车、正式运行以及工业侧线数据优化。

现阶段，二氧化碳和氢的转化率已经达到95%，而且经三方检测，产出的汽油辛烷值超过90（即常说的汽油标号），馏程和组成均符合国VI标准，汽油品质环保清洁。

其实，二氧化碳加氢工艺中，产物并非全是汽油，仍然含有其他碳氢化合物——也是这个原因，导致原料利用率不高，成本降不下来。

这也是之前制约各类二氧化碳制汽油技术落地难的重要原因。

而大连物化所团队的新技术和工艺，能够让汽油在所有含碳产出物中的选择性优于85%，显著降低了原料氢和二氧化碳的单耗，与之匹配的单位能耗也较低。

中国石油和化学工业联合会，对这项技术的评价是：

属世界首创，整体技术处于国际领先水平。

年产1000吨，看似不多，却是技术商业化转换的第一步。

千吨装置投资共4000万，算是样板间，为将来万吨级甚至更大规模的量产提供经验参考。

技术解析：二氧化碳如何变成汽油？

将二氧化碳从温室气体转化为有附加值的化学品和燃料，不仅有助于碳中和，还能在化石能源枯竭或石油价格剧烈波动的情况下加强能源安全。

但是难点在于，二氧化碳是完全氧化、热力学较稳定的分子，将它活化为碳氢化合物本身就很困难。

而且二氧化碳在传统催化剂表面吸附的热量相对较低，因此导致在二氧化碳加氢过程中获得的C/H比值较低。

这就是前面提到过的中间产物快速氢化，导致汽油（C5-C11化合物）减少，甲烷（CH4）增多。

学界提出过一种间接路线，即先将二氧化碳还原成一氧化碳，然后再加氢制备，其中分别对应两种经典的工艺过程。

首先是逆向水煤气转移（RWGS），基本化学式是CO2 + H2 = CO + H2O，这个过程需要吸热，还需要催化剂。

然后，将一氧化碳和氢气的合成气通过吸热和催化剂，制备成烃类化合物，这就是费托合成（FTS）：

(2n+ 1) H2+nCO → CnH(2n+2)+nH2O。

但传统工艺中使用含有钴，铁和钌的催化剂，更利于甲烷形成。

如果想使用这种工艺生产汽油，关键是寻找一种合适的催化剂。

大连物化所的团队，制备一种新型Na-Fe3O4/HZSM-5催化剂，直接将二氧化碳转化为汽油范围（C5-C11）的碳氢化合物。

四氧化三铁，本身就对二氧化碳有良好的的激活作用，而添加钠这种碱性金属，明显增强了铁基催化剂的表面碱性和渗碳性，使催化剂在二氧化碳加氢产生轻质烯烃时更加活跃。

Na均匀分布在Fe3O4纳米颗粒的表面，没有明显的偏析。

光谱表征表明，当Na-Fe3O4在反应前的H2中被还原时，会形成金属铁。

接下来，催化剂暴露在反应条件下时，金属铁与碳和氧相互作用，形成了Fe5C2和Fe3O4。

Fe3O4和Fe5C2分别是上面说过的RWGS、FTS反应的活性位点。

而沸石有独特的形状选择性和酸性，在碳氢化合物的低聚/芳烃化/异构化中有很好的效果。

所以，团队又将Na-Fe3O4与沸石结合，制成了多功能催化剂Na-Fe3O4/HZSM-5催化剂，具有三种活性点，表现出互补和兼容的特性。二氧化碳最初通过Fe3O4位点被H2还原成CO，随后通过Fe5C2位点将CO加氢成α-烯烃。烯烃中间体随后扩散到沸石的酸性位点，在这些位点上进行酸性催化反应。

最后，属于汽油范围的异构烷烃和芳烃选择性地形成，从沸石孔隙中扩散出来。

此外，二氧化碳的转化率和产品的选择性，可以通过改变Na-Fe3O4和沸石的质量比来调节。

总之，二氧化碳制汽油从原理上不算特别难。

只是问题是，这种方法仍然要消耗能源，现阶段成本也很高，意义何在？

研究团队也承认，制备的确需要特殊的催化剂，以及消耗大量的能量，甚至耗能可能比制备出的能量还要多。但是它的意义在于这种方法能固化能量，方便运输，而且固化能量本身也是一个固碳的过程。

至于所消耗的能量，未来可以选择在整个电网中占比不高，而且有降本前景的的风电、光电等等。

当然，这条路线的前提，是将其他清洁能源作为补充备选——与可控核聚变等被认为终极方案的探索相比，还不一样。

可以理解为，中科院的二氧化碳加氢制汽油技术，除了为能源固化、储存、运输提供了新方式，还能给碳中和计划、以及可控核聚变商业化，更多缓冲时间。

一作位健，中国科学院大连化学物理研究所取得博士学位，目前是硕士生导师。长期从事二氧化碳催化转化领域的基础及应用研究工作。

他还作为负责人或核心骨干承担国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（A类）、辽宁省博士科研启动基金和企业重点开发项目等科研项目10余项。

通讯作者孙剑，中国科学院大连化学物理研究所研究组组长。

长期从事碳一小分子催化转化研究。师从日本工程院院士N. Tsubaki教授获得博士学位。主持国家自然科学基金重大研究计划等项目。担任Nature Catalysis等知名国际期刊的审稿人。

最后的最后，还有一个问题，固碳储能的思路和探索，只有中科院在做吗？

并不是。也有其他人在做，比如比尔盖茨。

他的方法是使用生物本身的光合作用，把光能变成生物能，然后再合成燃料。但他的方法多了好几个中间过程，效率较低，此外还会消耗大量的耕地。于是一直没有特别显著的突破。

与之相比，中科院直接使用光能一步到位转化成化学能的方案，更先进、更高效也更环保。

论文地址：https://www.nature.com/articles/ncomms15174#change-history