一种制造甲醇的新方法

一种制造甲醇的新方法

2022/02/28

一种制造甲醇的新方法 低温低压下的CO₂用创意克服资源回收

日本政府宣布到2050年在国内和国际上实现碳中和。在这一国家政策下，正在推动各个领域的研究和开发。其中之一是二氧化碳 (CO₂)作为碳资源其中各不相同可用作化工产品原料和燃料的甲醇（CH₃转化为 OH 的技术开发)已积极开展。然而，CO，一种热力学稳定的物质₂至甲醇以传统方式需要大量能量的“高温高压”反应条件必不可少为了将其作为一种有用的碳回收技术投入实际应用，有必要在更温和的条件下合成它并减少输入能量。这次，AIST使用了高性能催化剂在“低温低压”条件下的二氧化碳，这在以前是不可能的₂成功合成甲醇我做到了(2021/1/14 新闻稿文章）。作为实现碳中和社会的有效手段，未来的发展正在引起人们的关注。

以实际应用为目标，挑战低温低压甲醇合成

防止全球变暖，二氧化碳₂减排长期以来一直是一个全球性问题。可再生能源产生的二氧化碳和节能₂，不可避免地排放二氧化碳₂₂资源回收技术的研究和开发正在进行中。如果这项技术能够投入实际应用，CO₂不排放二氧化碳的技术₂5026_5051₂增加。

　二氧化碳₂转化的物质而受到关注。甲醇每年生产约1亿吨，不仅可用作替代燃料，还可作为塑料、二氧化碳等化工产品的原料₂合成甲醇。

　氢气（H₂) 和 CO₂5512_5756

零排放国际合作研究中心首席研究员 Yuichiro Himeda 说道。姬田领导的研究小组一直致力于“低温低压条件下二氧化碳驱动”的研究。₂我们一直在进行“转化催化剂”的研究和开发。

CO₂多年的资源回收努力

　现在是利用二氧化碳来应对气候变化的时候了₂减排和资源回收被认为是全球共同问题，但姬田是二氧化碳₂当 20 世纪 90 年代开始研究转化催化剂时，主要重点是将其开发为原油的替代资源，以应对化石资源的枯竭和价格的飙升。

　二氧化碳₂资源回收研究作为碳回收技术被寄予厚望，但2000年左右，原油价格相对稳定，CO₂曾经有一段时间，全世界参与转化催化剂的研究人员数量已经减少到用一只手的手指就能数出来的程度，”姬田回忆道。姬田本人多次受到研究所内外研究人员的建议，说“也许你应该换一个不同的主题”，但是₂问题。''

　转折点出现在2010年代初期，我们与美国布鲁克海文国家实验室进行国际联合研究，开发出一种使用铱（Ir）的高性能催化剂，这是世界上第一个在常温常压下在水中产生二氧化碳的催化剂。₂成功生产甲酸（HCOOH）和氢 (2012/3/19 新闻稿文章）。此外，我们还开发了甲酸分解催化剂，并将其应用于高压制氢技术（AIST 链接第 29 号）。这些研究结果是CO₂合成，但姬田正在进行研究，着眼于合成甲酸以外的甲醇。该公司认为，甲醇已经拥有成熟的供应链，社会需求量很大。研究的目标是在低温低压条件下合成甲醇，但实现这一目标并不容易。事实上，在与瑞士洛桑联邦理工学院的一项国际联合研究中₂已知加氢也主要产生甲酸，仅产生少量甲醇。

“拥有多个活动点”的想法是一个突破

逐渐CO₂转化催化剂的研究得到了认可并广为人知，并且随着来自不同研究领域的成员开始参与这项研究，进一步的技术发展取得了进展。

　如上所述，CO₂生产甲醇使用铜基固体催化剂在技术上是可行的，但通常需要5兆帕以上的压力和200℃以上的高温高压条件，且制造过程消耗大量能源。此外，在高温条件下，由于被称为“平衡”的约束，甲醇的转化率较低，此外，还会产生一氧化碳和甲烷等非预期产物。

另一方面，已经报道了使用分子催化剂在80至150℃下合成甲醇。然而，由于分子催化剂与均匀溶解在液体(液相)中的产物和催化剂反应，因此反应后需要将溶解在液相中的甲醇与催化剂分离，效率低。考虑到制造过程的能源消耗和效率，实际实施一直很困难。

　需要一种全新的生产方法，不仅需要更低的温度和更低的压力条件，而且还要考虑到整个制造过程的能源消耗。

　姬田等人。最初使用改进的铱催化剂来生产 CO₂我正在研究加氢合成甲醇。然而，在合成甲醇的多步反应中，只得到了第一步生成的甲酸，而下一步预计生成的甲醇却无处可寻。研究小组认为甲酸产生缓慢的原因是由于一种称为“平衡”的约束，这可以被认为是化学反应的命运，但他们无法找到解决这个问题的方法。

　第一个突破是“双核催化剂”的开发，它有两个发生反应的“反应活性位点（在本例中为铱原子）”。他们认为，如果使用2014年加入该团队的年轻研究员Naoya Onishi开发的“双核催化剂”，每个活性位点的协同作用可能会导致只有一个活性位点的催化剂无法实现的反应。事实上，这种双核铱催化剂最初是为了不同的目的而开发的，但最终被用于甲醇合成，作为通过多个活性位点的协同作用克服多步反应平衡的手段。

超出常识！低温气相反应？

　这一突破是由另一位年轻研究员 Ryoichi Kanega 带来的。姬田先生说道：“金贺君，CO₂他告诉我，“如果你能在低温下生产甲醇，你就会赢得一些奖品。”所以我决定以积极的态度继续实验，”Kanega 回忆道。

　“我不在乎它是否行不通，所以让我们尝试各种方法。”考虑到这一点，Kanega 决定使用通常在液相中反应的分子催化剂作为固体，在不使用溶剂的情况下与氢气和 CO 反应₂的混合气体(气相)中进行。起初，他们使用各种金属单中心的单核催化剂，但无法检测甲醇甚至甲酸。常识表明，高温条件是破坏氢分子键所必需的，因此检测不到任何产物是很自然的。然而，听到结果的尾宰随口建议他们尝试一下已经合成的双核催化剂。

令人惊讶的是，使用双核催化剂检测到了甲醇。这带来了突破。 “当检测到甲醇时，我非常高兴，”卡内加眯着眼睛说道。然而，当姬田听到这个报告时，他在进行研究时特别谨慎，因为反应是在非常规低温条件下发生在气相中的。为了确认甲醇是反应生成的，而不是实验中混入的甲醇，他不仅让大西做了确认实验，还亲自做了实验，并让多人确认。结果，CO₂生成甲醇。和氢气，产生量很少。

　研究团队持续研究催化剂结构和反应条件，最终成功在30℃的温和温度条件或05MPa的相对低压条件下还原CO₂成功合成甲醇与传统的铜基固体催化剂不同，不会产生甲烷和一氧化碳等副产物。此外，由于分子催化剂可以与固态气体反应，因此更容易将产生的气态甲醇与固体催化剂分离。此外，使用分子催化剂的反应比使用传统的铜基固体催化剂的气相反应更有效地进行。特别是，分子催化剂的优点是能够精确设计和控制金属周围的有机分子（配体），因此它们有望在未来得到新的发展。

　这个结果是两位年轻研究人员的想法和挑战精神的结果。如果“使用多核催化剂”和“气相反应”这两种想法不一致，CO₂合成甲醇的障碍”，他赞扬了 Kanega 和 Onishi。另一方面，金贺也表达了感激之情，他说：“这是因为包括姬田先生在内的前辈研究人员所打下的基础。”经验、灵活的思维和团队的力量相结合，取得了巨大的成果。

　虽然取得了一定的成果，但这些都发生在实验室里。这项研究成果距离实际应用还有很长的路要走。 Himeda表示，有必要进一步阐明详细的反应机理，以提高催化剂的活性、选择性和耐久性等基本性能，并进一步降低成本。 “即使我们将这次开发的方法应用于化工厂，明天也不会突然大规模生产甲醇，”姬田说。

但是，研究团队是CO₂的氢化为实现低温低压甲醇合成奠定了基础。 “如果我们能够在未来十年内将这项技术投入实际应用并为碳回收做出贡献，我会很高兴。”姬田眼睛里闪烁着光芒。

　为这一成就做出重大贡献的金内也在思考遥远的未来。 “当人类认真进入太空时，月球和火星就是殖民的候选者。尤其是火星，其大气层主要由二氧化碳组成。₂占用这项技术有一天可能会在火星上发挥作用。虽然还有很长的路要走，但我会继续尽我所能，为这样的未来做出贡献。”金内加开玩笑地谈到了他的梦想。