请收下这份二氧化碳的酷炫自述

作者:张静静来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-12-15

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  我是二氧化碳,我想你一定认识我,我存在于人体呼出的气体,每日与你形影不离,我溶于水可生成碳酸,潮湿环境下与石灰岩接触可以形成美丽的溶洞。我的密度大于空气,不支持燃烧,所以才有了二氧化碳灭火器。降温加压,我化身为干冰,舞台上云雾缭绕以及人工降雨都有我的功劳。

  不过汽车的尾气、火电厂的烟气煤炭燃烧的废气里也有我的身影。因为我,温室效应日趋严重。对此,表示特别抱歉,“全球温度升高不是宝宝的本意”。

  为了解决气候问题,全球围绕我及碳排放开了一次又一次的会议,最受瞩目的当属每年一次的世界气候大会。在2009年哥本哈根气候峰会上,温家宝总理代表中国政府庄重承诺:到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005 年下降40%~45%。我十分期待2020年的到来。

  我虽为主要的温室气体,同时也是丰富、无毒、廉价易得、可再生的碳资源。近年来,政府、学术界和企业界共同努力,通过绿色化学技术将我转化为具有高附加值的化学品,连我自己都惊讶了,“宝宝终于可以为好朋友人类的发展贡献自己的力量了。

  别看我只是个小小的CO2,在其他伙伴的帮助下,我可以变成烷、醇、醇、酸、醚、酯等,也可以化身超临界二氧化碳作为绿色溶剂使用,没错,请叫我多变女王。南开大学元素有机化学国家重点实验室绿色化学课题组何良年教授团队精心编写了《二氧化碳化学》一书,里面详细介绍了我多种多样的资源化转化利用,本宝宝表示受宠若惊了呢。

  我这个人吧,比较懒,换句话说就是充满惰性,情非得已,我是不愿意和别人反应“丧失自我”的,目前活化我(也就是让我和别的伙伴进行化学反应)的方法主要包括:生物法、光化学还原、电化学还原、非均相和均相还原以及与过渡金属配位等既然大家都这么努力帮我逃离惰性的苦海了,我不转化点啥岂不很惭愧。

  图一

  偷偷告诉你,氢气是我的好伙伴,一开始我并不认识他,全靠催化剂热心帮忙。你可以把催化剂当做媒人

  我和氢气单独见面,谁也不认识谁,有了催化剂的催化作用牵线,使我和氢气可以相互结合,进行化学反应。

  专业点说,催化剂改变了反应途径,反应活化能,使我和原本比较难以结合的氢气反应成为可能。不过,神奇的一点是,在不同的催化剂的作用下,我和氢气的结合产物可谓是“琳琅面目,各不相同”同时,研发和寻找合适的催化剂也是将我转化为高附加值化工产品的难题。

  举几个例子

  Ocampo等人研究了Ni/Ce0.72Zr0.28O2催化剂用于合成甲烷。当Ni的担载量为10%时,催化剂表现出最好的活性和稳定性,可以连续反应150小时,我的转化率和甲烷选择性分别可达到75.9%和99.1%。

  姜忠义等以甲酸、甲醛和乙醇的脱氢酶为催化剂, 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸为供电子体, 在低温低压下将转化为甲醇,转化率可达92.4%

  Kurakata等人在一个压力相对较低的封闭循环反应系统进行催化反应,结果发现用Rh10Se/TiO2催化剂进行CO2催化时,不经过CO中间体,乙醇选择性可达到83%

  将我加氢直接合成乙酸的报道很少韩布兴院士、钱庆利等采用双金属催化剂Ru和Rh, 从氢气、二氧化碳甲醇出发均相催化直接合成了乙酸, 产率达到70.3%。

  看的是不是有点晕了

  简单点说,就是本宝宝在不同的反应条件下,比如溶剂,催化剂,时间,压力等,和氢气再或加上别的小伙伴结合,生成不同的产物,比如上面提到的甲烷、甲醇、乙醇、乙酸等。

  你该问了,转化成的产物有啥用?听我慢慢说:

  甲醇又称蚁酸,是一种重要的有机化工原料,可用于合成塑料、燃料、炸药以及化纤产品等。同时甲醇也是一种新型的清洁液体燃料。

  乙醇可以作为绿色车用燃料或燃料添加剂常被我们称为酒精,日常喝酒医用酒精消毒都和乙醇息息相关,乙醇可算是医药、化工、食品、国防等众多领域十分重要的原料

  甲烷呢,一种重要的燃料,是天然气,沼气,坑气等的主要成分。乙酸,又称醋酸,食醋内酸味的来源,偷偷告诉你,家里的暖壶出现水垢的话用食醋就可以除去哦,所以乙酸稀溶液也常用来作除垢剂。 

  我和水也是好伙伴,自然界,植物每时每刻通过光合作用将阳光、水和我转变为碳水化合物和氧气。“人工光合作用”就是在人工加以光照的条件下,设计合理的催化剂,实现我和水的结合。这项研究的难点在于光利用效率的问题以及二氧化碳我的惰性问题。

  令人兴奋的是,加州伯克利大学化学终身教授、美国科学院院士杨培东在实验室实现了人工光合作用0.38%的转化效率,已经与自然界的转化率相同。在光催化剂和醋酸菌的共同作用下,培东院士课题组实现了我和水高效转化为醋酸和氧气,成果发表于2016年的Nano Letter上。

图二

  新闻上,伯克利方面正在和美国宇航局合作,打算进军火星。我的作用就大了,火星上大气环境95%是二氧化碳,阳光也充足,唯一的问题是水。一旦水的问题得以解决,人工光合作用的持续发展,有望在火星上实现我的转化:与水发生作用,生成葡萄糖,醋酸、氧气等;与胺类反应,合成肥料等化工产品,这些产物将为人类在火星上生存提供可能。想想就很激动呢。

  看到这,是不是喜欢上本宝宝了,有我,大到登陆火星成为可能,小到拥有日常的醋或酒精。怎么样,任性吧,有了催化剂的帮助,我就是名副其实的多变女王。

  还有还有,特有的物理性质在现实生活中用途也很广泛,如制备碳酸饮料、烟丝膨化、农产品保鲜、气体焊接、工业清洗等方面。同时,作为重要的碳一资源,已经应用于许多化学品的生产,如尿素工业化生产、阿司匹林的制备、水杨酸的制备、催化氢化制备甲醇以及与环氧化合物合成环状碳酸酯或聚碳酸酯等期待未来的一天,温室效应得以缓解,我和我的小伙伴——水、氢气等,实实在在的走向工业化,为中国GDP增长贡献我的力量。  

  图一来自文献:

  Walter Leitner et al. Selective Catalytic Synthesis Using the Combination of Carbon Dioxide and Hydrogen: Catalytic Chess at the Interface of Energy and Chemistry. Angew.Chem.Int.Ed. 2016, 55, 7296–7343

  图二来自文献:

  Peidong Yang et al. CysteineCystine Photoregeneration for Oxygenic Photosynthesis of Acetic Acid from CO2 by a Tandem InorganicBiological Hybrid System. Nano Lett. 2016, 16, 5883−5887

 

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