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一個催化劑,兩種燃料
來源:中科院之聲 [2019-08-02]

生活中我們需要大量的能源。隨著化石能源的逐漸枯竭,急切需要尋找替代的能源。氫氣是理想的清潔能源,其能量密度大,燃燒産物只有水,不會汙染環境和加速溫室效應。


目前工業上大量使用的氫氣主要從化石資源來,並産生大量的CO2;電催化産氫的效率較高,但電能這種二次能源主要還是來源于不可再生的一次能源。利用太陽能分解水制氫是最理想的方式,但目前受限于較慢的水氧化半反應。


相比之下,利用生物質制氫是一種替代光分解水制氫的途徑。生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體,包括所有的動植物和微生物。而二代生物質則主要包含稭稈、玉米芯、廢葉和城市生活垃圾等。


光催化生物質制氫就是利用太陽能催化分解生物質制氫或者催化生物質還原水制氫。因爲生物質容易被氧化,因而有望獲得非常高的太陽能利用率。目前的研究雖然利用生物質産生了氫氣,但從生物質中提取氫氣後,剩余的部分通常無法利用,導致這些生物質制氫過程不經濟,而且汙染環境。


因此,科研人員一直在考慮,是否可以發展一種既生産氫氣,又能夠將生物質轉化爲有用的化學品或者燃料的技術?


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中國科學院大連化學物理研究所和潔淨能源國家實驗室(籌)王峰研究員團隊,就在該領域進行了長期探索。近期,該團隊開發了一種利用光能來驅動生物質的兩種下遊産品轉化(甲基呋喃和二甲基呋喃,來源于纖維素和半纖維素)可以同時生産氫氣和原柴油的過程。


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生物質加工處理得到二甲基呋喃和甲基呋喃這一路線已經比較完善了。所以科研人員就從這兩種下遊産品出發,利用光催化劑將兩個或三個原料分子連接起來,同時得到了氫氣和液體混合物。將未反應的原料通過簡單的蒸餾分離出來,就得到了原柴油。脫除該原柴油中的氧就可以得到高品質的柴油。該方法“一箭雙雕”,即一個催化劑兩種燃料。


因爲生物質分子單元碳鏈較短,需要2~3個單元連接起來才能形成柴油。這個過程就好比拳擊手比賽一樣,兩個生物質分子只能碰撞(拳擊手比賽),而把手套脫掉才能手拉手握手言和。而這“手套”就是氫。所以需要先拿掉甲基呋喃和二甲基呋喃的一個氫,産生的活性中間物種就可以連接起來,最終得到柴油。


不同于傳統的熱催化反應,采用光催化可以克服反應能量上的問題,使反應在常溫常壓下即可進行,同時得到氫氣和原柴油。也就是“一個催化劑兩種燃料”。柴油一般有至少上千種組分,而科研人員制備的柴油至少有幾十種組分,而之前的方法一般只有1到2種組分,因而更接近于目前我們使用的柴油。這個過程最大的難題是柴油組分的分析,以及證明科研人員得到的“混合物”的確可以做成高品質柴油。


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實驗中制備的柴油更加接近目前廣泛使用的石油來源的柴油,這意味著所制備的柴油有可能單獨使用,或者以更高比例添加到現有柴油中。還有一種可能是與其它方式制備的生物柴油以合適比例混合,使柴油的性質與現有柴油更接近而可以直接使用。


不過,目前這種技術還局限于實驗室中,還有很多的問題需要科研人員進一步突破,比如:催化劑的穩定性還不夠好、太陽能利用率不夠高,此外使用硫化物催化劑可能導致原柴油含硫,使原柴油加工到高品質柴油的催化劑失活或柴油硫含量偏高等等。因此,科研人員正在努力開發更高效的不含硫催化劑,來提高催化劑的穩定性和太陽能利用率。


相信通過科研人員的努力,可以讓第二代生物質,包括稭稈、玉米芯、廢葉和城市生活垃圾(包括“濕垃圾”)等廢棄物變高品質燃油。


來源:中國科學院大連化學物理研究所