變溫室氣體為有用之“材”

將二氧化碳轉(zhuǎn)化為材料的想法，源自于對溫室氣體處理的不同觀點(diǎn)。

2008年左右，主流觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)該將二氧化碳注入地下封存起來。來自德國亞琛工大的研究人員托馬斯米勒則在美國化學(xué)協(xié)會年會上提出可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為聚碳酸酯塑料，并用于生產(chǎn)塑料瓶、DVD光碟等有用的制品。因?yàn)槎趸己荚兀馕吨粌H是溫室效應(yīng)的“禍?zhǔn)住保瑯邮呛芎玫奶假Y源。

進(jìn)入工業(yè)化時代，化石燃料大量燃燒，向大氣中排放二氧化碳等大量溫室氣體，引起全球變暖，冰川融化，海平面上升，成為一個全球性難題。工業(yè)化帶來的負(fù)面影響或許也能通過工業(yè)手段解決。

在剛過去的巴黎氣候峰會上，一個名為歐盟“氣候變化減緩與適應(yīng)”的知識與創(chuàng)新團(tuán)體(Climate-KIC)展示了工業(yè)、科學(xué)等領(lǐng)域與氣候變化減緩適應(yīng)相關(guān)的項(xiàng)目。該團(tuán)體以全球大的聚合物生產(chǎn)商之一——科思創(chuàng)的“enCO2re”示范項(xiàng)目為基礎(chǔ)，希望借此推動二氧化碳代替日益稀缺的石油來生產(chǎn)塑料。而據(jù)科思創(chuàng)披露，今年相關(guān)技術(shù)就將投入工業(yè)化生產(chǎn)。

除了德國，美國、日本 、中國等國家在探索如何將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳基聚合物，并且試圖令其生產(chǎn)成本與普通塑料一樣低。更有科學(xué)家在嘗試將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料。

可以預(yù)見，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及對于回收廢氣問題的重視，溫室氣體將真正成為有用之“材”。

二氧化碳代替石油造塑料

除了通過談判達(dá)成框架性協(xié)議約束各個國家的溫室氣體排放，探索二氧化碳的全新用途也成為聯(lián)合國氣候變化大會的一大主題。在巴黎峰會召開期間，歐盟“氣候變化減緩與適應(yīng)”知識與創(chuàng)新團(tuán)體(Climate-KIC)在巴黎大皇宮展示了包括示范項(xiàng)目在內(nèi)的多個項(xiàng)目。該團(tuán)體以“enCO2re”示范項(xiàng)目為基礎(chǔ)， 支持各種技術(shù)創(chuàng)新，目前該項(xiàng)目正在為一種使用二氧化碳來生產(chǎn)橡膠與合成纖維的技術(shù)提供支持。

將二氧化碳轉(zhuǎn)化為材料的想法，源自于對溫室氣體處理的不同觀點(diǎn)。2008年左右，主流觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)該將二氧化碳注入地下封存起來。來自德國亞琛工大的研究人員托馬斯米勒則在美國化學(xué)協(xié)會年會上提出可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為聚碳酸酯塑料，并用于生產(chǎn)塑料瓶、DVD光碟等有用的制品。因?yàn)槎趸己荚兀馕吨粌H是溫室效應(yīng)的“禍?zhǔn)住保瑯邮呛芎玫奶假Y源。

托馬斯米勒選擇了與德國拜耳化學(xué)公司(科思創(chuàng)即原拜耳材料科技)合作，并建造了一個催化劑實(shí)驗(yàn)室。2010年左右，有消息稱德國聯(lián)邦教育研究部投入450多萬歐元，支持當(dāng)時的拜耳材料科技及其合作伙伴從事二氧化碳轉(zhuǎn)化聚醚等多元醇碳酸酯的研究。

歷經(jīng)8年，已經(jīng)成為獨(dú)立公司并更名的科思創(chuàng)終于宣布，將二氧化碳作為生產(chǎn)優(yōu)良泡沫塑料原材料的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入后期階段，預(yù)計于2016年將這一技術(shù)投入工業(yè)化生產(chǎn)。

“我們未來的努力目標(biāo)就是充分利用二氧化碳，閉合碳循環(huán)鏈。”負(fù)責(zé)創(chuàng)新的科思創(chuàng)董事會成員馬庫斯 ·施樂文博士表示，“看到各國政府意識到二氧化碳具有巨大的開發(fā)潛能，并系統(tǒng)性地推動商業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研發(fā)活動，我們非常興奮。例如，德國已經(jīng)在這個方面做出了很長時間的努力，現(xiàn)在歐盟也開始行動。憑借科思創(chuàng)在生產(chǎn)工藝和催化研發(fā)的專業(yè)知識，我們能夠推動二氧化碳的資源化利用。”這標(biāo)志著利用二氧化碳生產(chǎn)聚合物或?qū)⑦M(jìn)入規(guī)模化階段。

多國尋求二氧化碳基材料商業(yè)化

二氧化碳基聚合物被公認(rèn)為是一種環(huán)境友好型原料。可以通過回收利用、焚燒和填埋等多種方式處理。可以像普通塑料一樣回收后進(jìn)行再利用，焚燒處理時生成二氧化碳和水，不會產(chǎn)生煙霧。填埋則能在數(shù)月內(nèi)降解。另一方面，目前的塑料制品基本為石油基產(chǎn)品。若采用從廢氣中回收的二氧化碳，同時減少對石油的使用，將達(dá)到數(shù)重環(huán)保的目的。

故而，利用二氧化碳制造材料很早就為化學(xué)家們所關(guān)注。上世紀(jì)60年代，日本油封公司井上祥平等人就發(fā)現(xiàn)了二氧化碳和環(huán)氧丙烷在催化劑作用下可得到全降解塑料。然而化學(xué)反應(yīng)引起的副反應(yīng)會生成不穩(wěn)定的低分子量共聚物，使得該研究成果未能推向商業(yè)化。此后，其他國家也陸續(xù)投入將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可降解材料的研究，但由于二氧化碳性質(zhì)不活潑，很難與其他化合物尤其是有機(jī)物聚合，以及理想的催化劑難尋等原因，該項(xiàng)研究一直沒有明顯的進(jìn)展。直到1994年左右，美國Air products and chemicals Inc公司購買了井上祥平等人的專利并進(jìn)行催化劑改進(jìn)，生產(chǎn)出二氧化碳可降解共聚物并進(jìn)行以噸級量的商品出售。

近5年來，美國、日本、中國等在二氧化碳基材料研發(fā)和中小規(guī)模生產(chǎn)方面進(jìn)展開始加速。

2010年左右，美國Novomer公司開發(fā)了一個技術(shù)平臺，從廢二氧化碳中生產(chǎn)有價值的、高性能聚合物，獲得環(huán)境效益獎以及近1800余萬美元的政府獎金。Novomer公司基于一個創(chuàng)新的催化劑體系，以二氧化碳為主要原料生產(chǎn)各種聚合物，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在43%-50%之間。Novomer公司還稱，該公司利用小型反應(yīng)器進(jìn)行中型規(guī)模生產(chǎn)聚丙烯碳酸酯(PPC)樹脂，比標(biāo)準(zhǔn)的塑料使用化石燃料要少50%。可應(yīng)用于涂料、表面活性劑、軟包裝和纖維等。

2015年，有消息稱日本旭化成計劃在倉敷水島的制造基地建立一個新的工廠用于生產(chǎn)新研發(fā)出的碳酸二苯酯。具體是用自主研發(fā)的催化劑從二氧化碳以及酒精中提取二烴基碳酸酯，然后從DRC和苯酚中得到DPC。還有文獻(xiàn)稱，日本有計劃建立以二氧化碳為化工原料的獨(dú)立工業(yè)體系。

我國從上世紀(jì)80年代末開始研究二氧化碳基材料，目前的研發(fā)和生產(chǎn)水平均處于世界前列。2015年，大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“小分子活化與仿生催化”教育部創(chuàng)新團(tuán)隊在《自然通訊》上發(fā)表通訊，稱探索出化學(xué)固定二氧化碳新方法，成功設(shè)計出結(jié)晶狀化合物——結(jié)晶梯度聚碳酸酯，其熔點(diǎn)溫度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，大大拓展了二氧化碳的使用范圍，還獲得了各種結(jié)晶性的二氧化碳共聚物。此前，中科院廣州化學(xué)公司、中科院長春應(yīng)化所等單位在二氧化碳共聚物產(chǎn)業(yè)化研究方面也屢屢獲得突破。

陶氏化學(xué)、巴斯夫等全球知名化工企業(yè)也曾從事過二氧化碳基材料或相關(guān)催化劑的研發(fā)工作。

值得注意的是，近期石油價格大跌對于仍在攻克技術(shù)難關(guān)的二氧化碳基材料來說是一個相當(dāng)糟糕的消息。目前生產(chǎn)二氧化碳基材料所采用的催化劑均為鋅、鉻、稀土、納米催化劑，價格高昂。原本二氧化碳基材料的成本價已是石油基產(chǎn)品的1.5-2倍。石油價格節(jié)節(jié)下挫，更是拉大了二氧化碳基塑料與石油基塑料的生產(chǎn)成本差距，或令已進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)的廠商難以為繼。但相比石油基產(chǎn)品，二氧化碳基材料可降解，有助于減少溫室氣體，具有環(huán)保優(yōu)勢。絕大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，仍有必要繼續(xù)推進(jìn)二氧化碳基材料研究和生產(chǎn)。

中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會二氧化碳專委會副秘書長薛定撰文稱，要重視CO2資源的綜合利用，尤其是要加快以CO2為原料合成各類無機(jī)、有機(jī)及高分子產(chǎn)品的研究開發(fā)工作，并呼吁“十三五”期間，國家有關(guān)部門提供政策支持促進(jìn)我國二氧化碳的回收利用。

除卻政策鼓勵和財政支持，若能利用二氧化碳制造出附加值更高的材料，利用二氧化碳制造材料或?qū)⒂瓉砀蟮那熬啊?015年，來自喬治華盛頓大學(xué)的研究人員宣布發(fā)現(xiàn)了一種利用大氣中富集的二氧化碳生產(chǎn)碳納米纖維的方法。這種纖維可制成強(qiáng)大的碳碳復(fù)合材料，用于制造民航客機(jī)等高端領(lǐng)域。

研究人員首先在高達(dá)750℃的碳酸鋰熔液中插入兩根分別由鎳和鋼制成的電極，通過鎳和鋼電極的熱及直流電使二氧化碳溶解，碳納米纖維可以在鋼電極形成并可與之分離。太陽能為這一化學(xué)反應(yīng)提供動力，實(shí)驗(yàn)過程中只產(chǎn)生碳納米纖維和氧氣，而不會產(chǎn)生其他有害物質(zhì)。其運(yùn)行成本只有產(chǎn)出價值的數(shù)百分之一。團(tuán)隊研究帶頭人Stuart Licht博士稱這是一項(xiàng)兩全其美的偉大發(fā)明，既可以有效分解空氣中的二氧化碳，還能以低的成本制備出大量的碳納米纖維，據(jù)估算，如果運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)在相當(dāng)于撒哈拉沙漠1/10的區(qū)域內(nèi)對二氧化碳進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化，那么在10年之內(nèi)便可將該區(qū)域的二氧化碳濃度水平降低至工業(yè)文明之前。