一个催化剂,两种燃料

?

中国科学院之声

我们生活中需要很多精力。随着化石能源的逐渐枯竭,迫切需要寻找替代能源。氢是一种理想的清洁能源,具有高能量密度和燃烧用水,不会污染环境并加速温室效应。

目前,工业中大量使用的氢气主要来自化石资源,产生大量的二氧化碳;电催化制氢的效率很高,但电能的二次能源主要来源于不可再生的一次能源。使用太阳能来分解水以产生氢气是最理想的方法,但目前仅限于较慢的水氧化半反应。

相反,使用生物质来产生氢气是通过光解水取代氢气的一种方式。生物质是指通过光合作用形成的各种生物,包括所有动物和植物以及微生物。第二代生物质主要包括秸秆,玉米芯,废叶和城市固体废物。

光催化生物质氢生产是利用太阳能催化分解生物质以产生氢气或催化生物质以减少水以产生氢气。由于生物质容易被氧化,因此预计会实现非常高的太阳能利用率。虽然目前的研究使用氢气来生产氢气,但是在从生物质中提取氢气后,其余部分通常无法使用,这使得氢气生产过程不经济并污染环境。

因此,研究人员一直在考虑是否有可能开发出既能产生氢气又能产生有效生物质或燃料的技术。

fde8-iaqfzyw0949395.jpg

中国科学院大连化学物理研究所和国家清洁能源实验室(农业)王峰研究员团队长期以来一直在探索该领域。最近,该团队开发了一种利用光能驱动生物质的两个下游产品转化(甲基呋喃和二甲基呋喃,衍生自纤维素和半纤维素)以生产氢和原柴油的工艺。

1e28-iaqfzyw0949467.jpg

生物质加工获得二甲基呋喃和甲基呋喃的途径已经完善。因此,研究人员从这两种下游产品开始,利用光催化剂连接两三种原料分子,同时获得氢气和液体的混合物。通过简单蒸馏分离未反应的原料以获得原柴油。通过从原柴油中除去氧气可以获得高质量的柴油。方法“双刃一箭”,即一种催化剂和两种燃料。

因为生物质分子单元具有短碳链,所以需要两到三个单元来形成柴油燃料。这个过程就像拳击手比赛。两个生物质分子只能碰撞(拳击手比赛),手套可以被移除以握住手和握手。而这个“手套”就是氢气。因此,必须首先除去甲基呋喃和二甲基呋喃中的一个氢,并且可以连接活性中间体物质以获得柴油。

与传统的热催化反应不同,光催化可以克服反应能量的问题,反应可以在常温常压下进行,同时得到氢和原柴油。它也是“一种催化剂和两种燃料”。柴油燃料通常具有至少数千种组分,研究人员生产至少数十种柴油燃料。之前的方法通常只有一个或两个组件,因此更接近我们目前使用的柴油。这个过程的最大问题是柴油组分的分析以及研究人员获得的“混合物”确实可以制成高质量的柴油。

5b97-iaqfzyw0949544.jpg

实验中产生的柴油更接近目前广泛使用的石油衍生柴油,这意味着所制备的柴油可以单独使用或以比现有柴油更高的比例使用。还可以以合适的比例混合以其他方式制备的生物柴油,使得柴油燃料的性质更接近现有柴油燃料的性质并且可以直接使用。

但是,目前,这项技术仍局限于实验室。仍有许多问题需要研究人员进一步突破。例如,催化剂的稳定性不够好,太阳能利用率不够高,硫化物催化剂的使用可能导致原料柴油的加入。硫,催化剂使原柴油失活为优质柴油或高硫含量的柴油。因此,研究人员正在努力开发更有效的无硫催化剂,以提高催化剂稳定性和太阳能利用率。

据信,通过科学研究人员的努力,第二代生物质,包括稻草,玉米芯,废弃叶和城市固体废物(包括“湿垃圾”),可以变成高品质的燃料。

f227-hxyuaph8301885.png