讨厌二氧化碳₂制造聚氨酯原料和取之不尽用之不竭的二氧化硅

讨厌二氧化碳₂制造聚氨酯原料和取之不尽用之不竭的二氧化硅

2022/01/18

讨厌二氧化碳₂还有取之不尽用之不竭的二氧化硅 制造聚氨酯原材料 以可持续合成的实际应用为目标

作为石头和沙子的主要成分二氧化硅 (SiO₂）和二氧化碳 (CO₂）来自有用的有机化合物原料诞生了。一种原材料是取之不尽、用之不竭的 SiO₂的硅化合物，另一种是CO，被认为是全球变暖的原因，需要减少并重复利用₂综合化学品制造商东曹株式会社加入了由长期从事硅化学研究的日本综合技术研究所的研究人员与研究主题为二氧化碳转化的研究人员合作开发的技术。可以可持续生产的化学合成产品被开发出来。低成本和合成过程的进一步效率为目标，研究即将进入下一阶段的实际应用。
（新闻稿文章 2020/11/27）

我想将硅化合物转化为有用的化学品

　这项研究是CO₂制造化学产品和沙子。减少！排放控制！二氧化碳₂作为碳源和硅（Si），硅被认为在沙子和岩石中“无处不在”，以低成本和可持续的方式生产有用的化学品。

　从学生时代就开始从事硅研究的催化化学跨学科研究中心研究组组长深谷这样说道。

　我认为在日本从事硅研究这么久的研究人员并不多。虽然我有一段时间离开了一段时间，但我仍然怀着将硅化合物这种取之不尽用之不竭的资源转化为有用化合物的愿望继续我的研究。''

　那是一种什么样的硅化合物？原材料硅（Si）占地球表面元素的258%，仅次于氧的495%。大多数硅资源是二氧化硅（SiO₂) 包含在岩石和沙子中。它是一种廉价而有用的资源，可以在地球上任何地方收集，并且无毒，但不久前它才开始作为合成材料在工业上使用。

　20世纪初，人们合成了具有硅碳键的有机硅化合物，最终创造了有机硅这种以硅氧键（硅氧烷键）为骨架的有机硅高分子化合物。在此基础上开发了树脂、油等多种工业产品，并利用其耐热性、防水性、绝缘性、非粘着性等优点，许多产品现已投入使用。

另一方面，硅原子上键合有与有机物反应的有机反应性基团、水解性基团的硅烷偶联剂，作为玻璃等无机材料与树脂等有机材料的接合媒介而被开发，已成为异种材料接合、无机材料表面处理中不可缺少的物质。

　然而，作为这些化学品原料的简单金属硅和有机硅化合物在自然界中都不存在。为了合成硅化合物，必须将高纯二氧化硅在电炉中熔化并还原为金属硅。该过程使用大量电力，使得合成的化学产品价格昂贵。结果，金属硅是在电价、劳动力成本、环保法规等条件有利的特定国家和地区生产的，而硅随处可产且价格低廉的优势在现实中很难发挥。顺便说一句，电价高昂的日本几乎没有任何制造业，目前的情况是几乎所有生产都依赖于从中国等国家进口。

在有机硅化合物中，本次开发中使用的是四乙氧基硅烷（Si(OC₂H₅)₄，TEOS）。 TEOS是一种具有广泛用途的物质（常温下为液体），作为有机硅材料的原料，但其生产需要将二氧化硅还原为金属硅的过程，需要大量的能源，增加了成本。

二氧化硅直接合成TEOS

　是否有可能不经过金属硅而直接用廉价的二氧化硅合成TEOS？ Fukaya 等人提出的挑战。被认为有技术难度。直接合成一直困难的主要原因是二氧化硅是一种极其稳定的化合物。在由二氧化硅和醇生产四烷氧基硅烷和水的过程中，由于二氧化硅的化学稳定性，逆反应进行，而生产四烷氧基硅烷的正反应不容易进行。

Fukaya等人一直在研究这个问题，他们提出了将具有细孔的固体无机分子筛引入到反应体系中作为水分子吸附剂的想法。通过使用该方法从反应体系中除去水，可以抑制逆反应的进行。而且，分子筛不发生反应，易于与生成的TEOS分离，且易于回收和再利用。

　

氢氧化钾用作该反应的催化剂。氢氧化钾具有促进二氧化硅中硅氧键断裂的作用。使用该方法，TEOS的产率超过70%，并且反应所需的时间比以前设计的方法短得多。

CO₂作为原料

　基于此 TEOS 技术的 CO₂的问题进行了合作。作为原料。二氧化碳₂生产有用化学品的技术。作为碳源。

　众所周知，为了应对全球变暖的运动，越来越多的企业面临着采取具体脱碳措施的压力。特别是2020年日本政府宣布到2050年实现碳中和后，脱碳不仅是社会的当务之急，也是企业的商机，也是研究人员和工程师创新和研发动力的催化剂。

　迄今为止，脱碳工作的重点是通过可再生能源和节能来减少二氧化碳排放₂减排是人们经常谈论的，CO₂没有多少研究人员对转化感兴趣。如今，这种趋势已经发生了显着变化，企业、研究机构等都开始关注这一趋势。₂7370_7395₂转化为碳资源。

　国家还编制了2019年《碳回收技术路线图》和CO₂合成有用的材料，从含氧有机化合物（如聚氨酯和聚碳酸酯）到通用化学品（如烯烃）。

　曾经有一段时间，这个领域的研究突然流行起来。但是，一旦一个项目完成，从事该领域研究的实验室数量突然减少。我自己也研究了很长时间，没有放弃，可以说是时代赶上了我。”崔笑着说。

　Choi一直在研究的CO₂也是一种稳定的化合物。在合成有机化合物的反应中，CO₂。 Choi了解到深谷团队的研究成果，认为TEOS的技术可以应用，于是他找到了深谷，在深谷团队的配合下，继续进行研究。综合化学品制造商东曹公司注意到了这项技术。

我想可持续地生产聚氨酯

　东曹是一家综合化学品制造商，是日本顶级的聚氨酯制造商，是CO₂,CO₂CO作为原材料₂他对皈依有着浓厚的兴趣。

东曹的主要产品聚氨酯是光气（COCl₂)作为原材料制造。光气具有广泛的应用，包括作为制造工程塑料的原材料，因为它可以很容易地合成为低成本、高质量、有用的有机化合物。

　然而，光气是一种高腐蚀性和高毒性的气体，并且原料一氧化碳是由化石资源制造的，从环境角度来看，这是一种有问题的制造原料。出于这些原因，东曹正在寻找一种不使用光气的环保、低成本的聚氨酯合成方法。

　尽管这项研究得到了广泛的开展，但由于成本问题，所开发的替代品都没有任何实际应用的前景，而且这种情况仍然依赖于光气。结果，虽然研究一度陷入停滞，东曹却将注意力转向了AIST的技术。 “CO 作为聚氨酯合成的碳源₂。'' (Cai)

　二氧化碳₂蔡认为，如果通过其使用能够获得环境友好的激励，也许可以实现与光气一样低的成本。

使用新型催化剂成功地从二氧化碳和二氧化硅合成

　聚氨酯生产中不使用光气，以CO为碳源₂的合成方法已经在各个领域进行了一段时间的研究。

　二氧化碳₂的聚氨酯合成方法的主要问题是副产品水。产生的水会促进逆反应或降低催化剂的效率。因此，Choi团队注意到Fukaya团队已经成功使用不产生水的方法从沙子和灰中合成TEOS。使用此 TEOS，CO₂作为碳源。

此外，使用含有锆的催化乙醇锆作为催化剂。二氧化碳₂用途的经验。由于不产生水，催化剂的使用寿命很长。催化剂的选择是实验成功的决定因素。

通过实际应用满足社会期望

　在实验室中，深谷团队主要使用沙子和灰分作为二氧化硅的原料。脱粒后的稻壳、秸秆燃烧后留下的灰烬被利用。植物中也含有大量二氧化硅，因此农业副产品是二氧化硅的良好来源。沙子和灰都是环保原料。 Choi 团队是 CO₂作为碳源，并开发了一种可持续合成聚氨酯原料的方法。 AIST团队和东曹正在进一步深化联合研究，目标是在2030年实现实际应用。

　在投入实际使用之前，存在两个主要挑战。首先是经济性，或者说成本。为了实现与更便宜的光气的成本竞争，有必要提高反应效率并扩大反应规模。第二个是CO₂这是为了减少用于转换的能量。我们必须开发进一步降低能源消耗的技术，假设在工厂进行大规模生产。此外，为了减少对环境的影响，需要进行生命周期评估以确定总体能量平衡和物质平衡。

　二氧化碳₂是社会的一种期望和要求，就像减量一样。为了使新开发的可持续技术取得成果，我们必须迅速推进其实际应用，并将成果回报社会。 Fukaya 和 Choi 团队与 Tosoh 合作，稳步推进研究活动，将新开发的聚氨酯推向世界。