日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 (AIST)的研究團(tuán)隊(duì)與東曹株式會(huì)社
(Tosoh)合作開(kāi)發(fā)了一種在常壓、低濃度下由二氧化碳（CO2）合成碳酸二乙酯的催化反應(yīng)。碳酸二乙酯用作聚碳酸酯和聚氨酯的原料、電解質(zhì)、涂料等。
在以往利用硅化合物的碳酸二乙酯合成過(guò)程中，需要使用高純度的CO2并加壓到數(shù)兆帕，才能實(shí)現(xiàn)足夠的收率。因此，為了獲得高壓、高純度的CO2，對(duì)火力發(fā)電站和其他來(lái)源排放的低濃度CO2進(jìn)行分離、純化和壓縮的過(guò)程需要成本和能源。而在新的研究中，通過(guò)使用乙醇和有機(jī)強(qiáng)堿化學(xué)吸附CO2形成碳酸二乙酯的反應(yīng)，這允許在常壓下吸附廢氣中包含的體積比為約15%的CO2。
該方法僅通過(guò)向反應(yīng)溶液中通入廢氣（包含體積比15%的CO2），可以確保反應(yīng)所需的CO2，這在常規(guī)方法中是難以實(shí)現(xiàn)的，并且達(dá)到了與常規(guī)方法相同的收率。這簡(jiǎn)化了分離低濃度CO2的純化和壓縮過(guò)程，降低了成本和能源消耗。此外，CO2無(wú)需加壓設(shè)備即可轉(zhuǎn)化為資源，為實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)做出貢獻(xiàn)。
研發(fā)的背景
為了解決全球變暖問(wèn)題并擺脫化石資源，正在強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)碳回收技術(shù)，將CO2轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)物質(zhì)作為資源。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的《碳回收路線圖》列舉了聚碳酸酯等化學(xué)品生產(chǎn)中CO2的用途。為了實(shí)現(xiàn)到2050年日本CO2回收量最大化（約1~2億噸）的目標(biāo)，有必要開(kāi)發(fā)從CO2合成碳酸二乙酯的技術(shù)。
據(jù)報(bào)道，使用高壓、高純度的CO2是一種從CO2合成碳酸二乙酯的技術(shù)。然而，為了從發(fā)電站和工廠的廢氣中獲得高壓、高純度的CO2，需要分離和純化成本。此外，迄今為止報(bào)道的合成方法在常壓下的產(chǎn)率顯著下降。然而，使用低濃度CO2直接合成碳酸二乙酯在技術(shù)上極其困難，因此迄今為止尚未有成功案例的報(bào)道。
研究歷程
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 (AIST)和東曹的目標(biāo)是采用對(duì)環(huán)境影響較小的方法，以CO2為原料合成和制造作為聚碳酸酯、聚氨酯等原料的碳酸二乙酯。
到目前為止，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種使用高壓、高濃度CO2和可再生的硅化合物——四乙氧基硅烷 (Si(OEt) 4)
的合成方法（2020年11月）。此外，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種利用CO2化學(xué)吸附作為在常壓和低濃度反應(yīng)中直接利用CO2的尿素衍生物合成方法（2021年5）
在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用CO2在乙醇與有機(jī)強(qiáng)堿之間的化學(xué)吸附反應(yīng)，與尿素衍生物合成法相似，開(kāi)發(fā)了一種以常壓、低濃度CO2為原料，以四乙氧基硅烷為原料的碳酸二乙酯合成方法。
研究概要
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所
(AIST)和東曹通過(guò)使用乙醇和有機(jī)強(qiáng)堿對(duì)CO2進(jìn)行化學(xué)吸收，并采用最佳催化劑，開(kāi)發(fā)了一種以常壓低濃度CO2和對(duì)環(huán)境影響較小的硅化合物——四乙氧基硅烷為原料的碳酸二乙酯合成方法。
在使用對(duì)環(huán)境影響較小的硅化合物的常規(guī)碳酸二乙酯合成中，需要在超過(guò)正常壓力20倍的高壓下加入高濃度的CO2。隨后，反應(yīng)容器中充分充滿CO2，并繼續(xù)進(jìn)行生成反應(yīng)。另一方面，當(dāng)使用常壓和低濃度的CO2時(shí)，不可能在反應(yīng)容器中確保足夠量的CO2。因此，研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了涉及乙醇和有機(jī)強(qiáng)堿的CO2化學(xué)吸附反應(yīng)。該化學(xué)吸附反應(yīng)通過(guò)將含有CO2的氣體通入乙醇和有機(jī)強(qiáng)堿的混合溶液來(lái)合成碳酸乙酯。通過(guò)利用該CO2吸附反應(yīng)，即使使用由體積比分別為15％和85％的CO2和氮?dú)饨M成的混合氣體，也能夠吸附相當(dāng)于所使用的有機(jī)強(qiáng)堿量摩爾比約60%的CO2。
接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)尋找該丹櫻過(guò)程的最佳催化劑，發(fā)現(xiàn)氧化鈰（CeO2）是數(shù)十種催化劑中的最佳催化劑。此外，還揭示了有機(jī)強(qiáng)堿的類型對(duì)碳酸二乙酯的收率有顯著影響。研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)這是因?yàn)檠趸嫳砻娲嬖诘纳商妓岫阴サ幕钚晕稽c(diǎn)被有機(jī)強(qiáng)堿鍵覆蓋。
最后，研究團(tuán)隊(duì)研究了使用各種有機(jī)強(qiáng)堿合成碳酸二乙酯的方法，并成功找到了一種不會(huì)導(dǎo)致催化劑被覆蓋、使反應(yīng)順利進(jìn)行的特定有機(jī)強(qiáng)堿。結(jié)果，當(dāng)使用體積比為15%的低濃度CO2氣體時(shí)，吸附的CO2中大約49%約有49%可以轉(zhuǎn)化為碳酸二乙酯。另外，假設(shè)燃煤發(fā)電站廢氣中含有15%
CO2和雜質(zhì)的模擬廢氣（CO2濃度15%、CO濃度300ppm、SO2和NO2濃度各500ppm，其他：氮?dú)猓?，基于吸附的CO2
，實(shí)現(xiàn)了45%的碳酸二乙酯產(chǎn)率。從CO2 吸附到碳酸二乙酯合成的一系列過(guò)程，可以在同一反應(yīng)容器中進(jìn)行。
未來(lái)計(jì)劃
未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將改進(jìn)反應(yīng)條件、催化劑和反應(yīng)設(shè)備，旨在建立低成本、節(jié)能的制造方法。研究團(tuán)隊(duì)將努力解決必要的技術(shù)問(wèn)題，包括考慮擴(kuò)大規(guī)模，以期在2030年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
