致力工业应用的原创性—— 走近2019年科学探索奖获得者北京大学教授马丁

  北京大学化学与分子工程学院马丁教授日前获得了2019年科学探索奖。在氢气制备与输运、高值化学品的选择性合成等领域,取得了什么样的突破性探索,才让他获此殊荣?

  让氢气输运“金蝉脱壳”

  氢气的存储和输运是阻碍氢能源大规模应用的最大障碍,也是在氢能源研究之初被忽视的环节。“现在氢能应用的前端生产和后端应用都已经有了成熟技术,研究的关注点应该转向氢气储运这些中间环节。”马丁教授说,“这是因为氢气不仅密度小、体积大,而且化学性质活泼,在运输过程中易泄露、易燃、易爆、安全性差,不便于运输且运输成本很高。”

  2012年,马丁课题组进入相关领域并着手研究氢气运输相应技术。他们发现以前的思路是将氢转变成液氢进行输运,成本太高无法实现,那么有没有什么其他的解决方案呢?

  ”如果利用内蒙古等地区丰富的二氧化碳或一氧化碳资源,与氢气反应生成甲醇进行运输,到达目的地后,再让甲醇和水在温和条件下反应生成二氧化碳和氢,把氢气释放出来,这样也可以达到氢气运输的目的。”马丁设想。而且由于甲醇单位质量储氢量高、价格低廉、常温下为液体,可以实现以液态的形式安全运输,还可以在现有的储运管网和加油站等基础设备上经改造后直接使用。

  这样一个将氢气转化为甲醇进行储存和运输的方案,不仅可以通过催化反应让甲醇和水在温和条件下释放出氢气,还可以将等摩尔的水而转化为额外的氢气,一同为燃料电池供氢。这个“金蝉脱壳”的方法为解决氢气运输难的问题提供了可行的方案,并在2017年入列”中国科学十大进展“。

  马丁强调:“当氢燃料电池大规模投用的时间,这项技术将助力氢能实现制造—输运—应用的全产业链条,我国的氢能应用将上升到新的层次。”

  拓宽非石油化工路线

  提起为何要选择做高值化学品的选择性合成的研究时,马丁感慨道:“目前我国的煤资源储量完备,页岩气等甲烷资源也不断被发现,但在石油资源上有70%左右需要依靠进口。在我国现缺乏石油的情况下,如何解决下游油品和重要化学品的生产是十分需要关注的问题。”

  “由于我国的资源禀赋,我们课题组选择通过从煤直接或者间接制备汽油、柴油,或者将煤通过重整反应变成合成气,进一步转变为高值化学品的工艺路线。”马丁介绍,近年来该课题组在合成气直接制备烯烃和芳烃方面进行了大量的研究工作。他们使用价格低廉的铁催化剂,实现了合成气一步直接制备α-烯烃,碳资源有效利用率达64%,烯烃收率达78%,且以高碳α-烯烃为主。这一工艺路线催化过程、合成方法简单,在工业化上具有非常高的应用潜力。此外,通过耦合分子筛催化剂,马丁课题组还获得了目前报道的合成气直接制芳烃的最高产率。

  此外,马丁还提到,在页岩气的众多转化产物中,甲醇被认为是较为理想的产物,易于转变成烯烃、芳烃等重要的化工原料以及燃料。2018年,马丁课题组和伦敦大学唐军旺教授合作在常温常压下实现了甲烷一步活化高选择性制甲醇。

  为碳一化工加辅助

  CO的转化是当前C1化学工业的核心过程。在过去的几十年中,大量的研究工作致力于将含有CO的合成气高选择性的转化为产品。其中,通过费托合成反应将来源于天然气、煤和生物质的合成气制备油品,是目前为止被认为最有可能代替石油化工过程的途径。

  基于费托合成的煤制油和天然气制油过程已经实现了工业化,但为了得到符合工艺要求的合成气,则需要经过复杂的多步分离过程,使成本大幅提升。实际上,在工业生产中产生大量的高浓度CO废气,并不总会伴随大量氢气的生成,比如炼钢厂的转炉尾气中70%都是CO,只含有不到5%的氢气。大部分情况下,CO废气都是通过燃烧排放或直接排入空气中。因而发展直接将高浓度CO废气转化为油品的催化过程,可以实现变废为宝,具有重大工业应用价值。

  马丁课题组以此为目标进行了深入研究,并在2019年首次实现将水汽迁移反应与费托合成反应成功耦合,实现了将CO和水一步直接转化制备油品的过程。

  他进一步解释:要实现这个过程,必须有足够的H2来源提供给CO进而转化。H2O是自然界中最丰富也是最廉价的氢载体,通过水汽迁移反应可以从水中取出氢气,如果能取出足够多的氢气,是否就能与CO发生费托合成反应进而生成油品呢?答案并不那么简单,要真正实现两个反应的耦合不仅要保证两个反应在热力学上匹配,更重要的是实现动力学上的匹配。

  目前,这项技术已经吸引到了相关企业的关注,为工业应用提供新的思路也是马丁及其课题组从现在到未来一直努力的方向。

关键字:氢
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