Green Carbon | 日本国立富山大学椿范立院士综述：二氧化碳加氢制高值化学品

Green Carbon

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Green Carbon is an interdisciplinary journal promoting cutting-edge science and technology developments of green resources, green conversions, green processes and green products leading to low, zero or negative carbon emissions.

英文原题：Recent advancements and perspectives of the CO₂ hydrogenation reaction

作者: Wenhang Wang, Chunyang Zeng*, Noritatsu Tsubaki* 

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背景介绍

Background

化石燃料的大量燃烧，致使大气中二氧化碳浓度正在逐年递增且增速不断加快，大气中二氧化碳的浓度已超过410ppm，带来了巨大的环境压力。“双碳”背景下，迫切需要寻找解决途径。热催化转化二氧化碳制高附加值化学品是一种有效的策略，既能降低大气中二氧化碳的浓度，又能生产高附加值化学品。

2021年全球二氧化碳排放量

来自日本富山大学的椿范立教授于Green Carbon上发表标题为“Recent advancements and perspectives of the CO₂ hydrogenation reaction”的综述文章，对椿范立课题组在二氧化碳加氢方面的研究进展进行了全面的总结，论述了新催化剂体系、新反应路径和新反应器等领域的开发，以及当前该方向存在的机遇与挑战，并对C1化学新技术的发展和应用进行了解读和展望。

二氧化碳加氢技术

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文章简介

Introduction

胶囊催化剂的开发与应用

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椿范立课题组设计开发胶囊催化剂，实现不同活性组分之间的完美组合，精确控制不同活性位点的反应顺序，实现向目标产物的高效转化。不同于传统方法，将不同催化位点进行简单混合，对于胶囊催化剂，在内部产生的中间体，必须通过外部壳层进行扩散，在此过程中极大增强了反应中间体与壳层催化剂的传质，有效提高了目标产物的选择性。利用胶囊催化剂的特点，可以精确设计催化剂体系，实现复杂产物的一步合成。

胶囊催化剂模型图

串联催化剂实现复杂产物合成

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串联催化是一种可以将复杂产物一步合成的方法。由还原性金属氧化物或铁基催化剂耦合分子筛组成的多功能催化剂可实现CO₂加氢一步合成芳烃、烯烃以及液体燃料等化合物。芳香族化合物是一种重要的工业化学品，主要由石油和煤焦油在严重依赖化石燃料的过程中生产。近年来，随着新催化体系的合理设计，CO₂加氢制芳烃的新反应途径被开发。从化学工程的角度讲，一步合成芳烃工艺比多步合成更方便、更高效。椿范立课题组开发了三条由CO₂直接氢化生成芳烃的途径，分别为甲烷路径、甲醇路径和改进的费托路径。通过金属催化剂与分子筛串联，实现芳烃的一步合成。与胶囊催化剂概念耦合，在ZSM-5分子筛外部包覆一层无酸性的Silicalite-1，实现对二甲苯（PX）的高效合成。

串联催化剂制芳烃不同反应路径

受限于催化体系较低的反应效率，CO₂加氢高选择性合成含氧化合物，尤其是C₂₊含氧化合物仍然存在诸多挑战。椿范立课题组构建了Fe基活性组分和Cu基活性组分耦合而成的多功能催化体系，实现CO₂加氢一步高选择性合成乙醇。通过构建多重活性位点，同时产生CH_x*和CH_xO*中间体，实现了催化CO₂加氢合成乙醇的同时联产烯烃，展现出广阔的应用前景。

二氧化碳加氢制乙醇的反应机理探究

3D打印自催化技术

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在催化反应中，催化剂和反应器是最重要的两个要素。但一直以来，催化剂和反应器的设计，总是在各自的领域相对独立的发展。椿范立课题组通过金属3D打印技术，成功实现了催化剂和反应器耦合的自催化反应器的设计和构建。该技术打破常规催化反应的认知，其研制的铁基、钴基和镍基3D自催化反应器，不仅具有承受高温高压的能力，同时也承担催化剂的角色，不再需要额外装填催化剂，在费托合成、二氧化碳加氢、二氧化碳重整甲烷等典型C1反应中，表现出了极为广阔的催化应用前景。内部不同的几何结构会产生不同的传质效果，从而导致不同的催化反应性能，为未来的自催化反应合成开拓了新的研究方向。

3D打印自催化技术

总结及展望

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本综述系统地总结了椿范立课题组在二氧化碳加氢领域、新型催化剂的设计和反应路径的开发方面的工作。胶囊催化剂的成功开发，对不同催化组分进行有序合理设计，实现了对产物选择性实现精确调控。通过串联催化概念实现了芳烃、乙醇等化合物的高效合成。利用3D打印技术实现了反应管自催化，构建了全新的催化体系。当前在CO₂加氢过程中，高效催化剂的合理设计仍然是重要工作，与此同时，还存在绿氢供应成本高，CO₂捕集困难等严峻挑战。

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作者

 Author

椿范立 教授

椿范立(Noritatsu Tsubaki)，日本工程院院士，日本国立富山大学工学部能源化工讲座教授，博士生导师，富山大学可持续科技研究中心主任，日本学术会议第三学部会员。曾获日本文部科学大臣表彰科学技术奖，日中科学技术交流协会奖，日本催化学会和日本能源学会学会奖(终身成就奖)，中国石油和化学工业联合会国际合作奖等奖项10余项。担任日本石油产业技术中心—合成燃料海外调查研究委员会委员长，日本天然气研究会会长，Green Carbon编委，Journal of Energy Chemistry国际编委。在Nature Catalysis, Nature Communication, Accounts of Chemical Research, Journal of the American Chemical Society，Green Carbon等国际著名学术期刊发表论文500多篇，全球能源领域高被引科学家，著书9本，授权日本发明专利60余项，建立示范工厂7座。近5年获得日本NEDO、外务省国际协力机构、日本学术振兴会、本田汽车等资助项目40余项。长期从事碳基能源催化转化体系开发工作，在新型、高效能源转化材料创制，高附加值化学品合成新反应路线探索方面取得了具有国际引领性的科研成果。

相关论文信息

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论文信息

Wang W, Zeng C, Tsubaki N, et al. Recent advancements and perspectives of the CO₂ hydrogenation reaction[J]. Green Carbon, 2023.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2023.10.003

供稿：椿范立 教授

（日本国立富山大学）

编辑：Green Carbon 期刊中心

审核：Green Carbon 期刊中心

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关于

Green Carbon

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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。

官方网站

https://www.keaipublishing.com/en/journals/green-carbon/

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