科研進(jìn)展
蘭州化物所聯(lián)合武漢大學(xué)和西安科技大學(xué)在CO2高值化利用方面獲新進(jìn)展
將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品是實(shí)現(xiàn)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)和“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。其中，利用可再生電能將CO2轉(zhuǎn)化為燃料或化學(xué)品是一條關(guān)鍵的技術(shù)路線。然而，目前CO2電還原的產(chǎn)物主要集中在C1或C2,尚未實(shí)現(xiàn)多碳產(chǎn)物的高選擇性構(gòu)建,尤其是單一多碳產(chǎn)物的高選擇性制備。鑒于CO2還原為CO具有較為成熟的技術(shù)積累以及羰基化反應(yīng)可高選擇性構(gòu)建單一多碳產(chǎn)物，可通過將CO2還原與羰基化反應(yīng)相耦合來實(shí)現(xiàn)CO2的高值化利用。
近期，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所低碳催化與二氧化碳利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室催化羰化與氰化組與武漢大學(xué)莊林教授、西安科技大學(xué)羅振敏教授團(tuán)隊(duì)合作在CO2利用上取得新進(jìn)展。
在此前氧化羰基化研究的基礎(chǔ)之上（Science,2024,386: 776-782；Angew Chem Int Ed,2020,59: 2080-2084；ACS Catal.,2023,13: 735-743;ChemSusChem,2022,15: e202102400；分子催化,2020,34,182–192;2024,38,297–308），研究人員通過一種CO2全利用策略,將CO2-H2O共電解生成的CO/O2作為原料，與乙烯/乙炔的氧化雙羰基化合成CO2基C4雙酯類化合物，如丁二酸二甲酯、富馬酸二甲酯和馬來酸二甲酯等，這類化合物在可降解聚合物(聚丁二酸二丁酯)、增塑劑、溶劑、表面活性劑、有機(jī)合成中間體等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的用途。與傳統(tǒng)的烯/炔烴羰基化相比較，烯/炔烴氧化羰基化能同時(shí)插入兩個(gè)羰基，生成更有價(jià)值的化學(xué)品。此外，尚未電解的CO2可作為氣體抑爆劑，可消除或降低乙烯/乙炔氧化雙羰基化反應(yīng)過程中潛在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
圖1. 本文提出的CO2全利用策略
結(jié)果表明，在400mA/cm2的工業(yè)規(guī)模電流密度下,CO2-H2O共電解過程表現(xiàn)出優(yōu)異的CO/O2選擇性以及穩(wěn)定性。CO2-H2O共電解產(chǎn)生的高濃度CO/O2混合氣流可直接用于乙烯/乙炔氧化雙羰基化反應(yīng)。未還原的CO2在反應(yīng)過程中不僅不會(huì)影響乙烯/乙炔氧化雙羰基化反應(yīng)的活性或者選擇性(CO2基C4雙酯類化合物的選擇性>98%)，而且還能使反應(yīng)在爆炸極限之外進(jìn)行，體現(xiàn)出該串聯(lián)過程優(yōu)異的兼容性和安全性。底物適用性擴(kuò)展和克級放大實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該策略潛在的應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)研究成果以“CO2-H2O Co-electrolysis to CO/O2 for Safe Oxidative Double Carbonylation of Ethylene/Acetylene”為題發(fā)表在Chinese Journal of Catalysis（Chin. J. Catal.,2025,74: 202-210）上。
該工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、甘肅省重大科技專項(xiàng)以及低碳催化與二氧化碳利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
