未來(lái)能源的催化技術(shù)進(jìn)展

文/ Dominik Stephan

在K I T卡爾斯魯爾理工學(xué)院，科研人員正在研究Powerto-X關(guān)鍵技術(shù)中使用的費(fèi)托反應(yīng)催化劑

德國(guó)Power-to-X技術(shù)核心的催化劑——工業(yè)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都在狂熱地致力于將能源和廢氣轉(zhuǎn)化為汽油、烯烴或可燃?xì)獾墓に嚰夹g(shù)，本文講述了如何使廢料再次變成原材料并使之成為可能。

氫化合物是如何轉(zhuǎn)換為能源的是比較容易解釋清楚的，但是在能量的幫助下怎么將惰性的反應(yīng)物轉(zhuǎn)換為原材料卻是比較難解釋的。比如Power-to-X希望能夠把燃燒后的灰燼轉(zhuǎn)化成煤炭，用多余的能量來(lái)生產(chǎn)合成原料、氣體或者燃料。這不僅打破了對(duì)古生物資源的依賴，而且（至少只要有可再生能源生產(chǎn)的電力）就可以找到與氣候變化基本無(wú)關(guān)的能源儲(chǔ)備方式。雖然這一逆過(guò)程中使用的方法因最終生成的靶分子不同而有著很大的差異，但卻有一個(gè)共同點(diǎn)就是它們都需要合適的反應(yīng)器、膜和催化劑等合適的方法。

由于通常都將CO或者CO2當(dāng)為碳源，因此在反應(yīng)中間步驟中常常會(huì)用氫生成一種合成氣體。這種反應(yīng)實(shí)際上是古老的煤炭液化技術(shù)方法，但在Power-to-X環(huán)境中卻有著全新的吸引力。因?yàn)樗婕暗姆磻?yīng)過(guò)程目前尚未能夠用科學(xué)的方法加以解釋和理解，“這主要涉及在工業(yè)化條件下這一過(guò)程中所需催化劑結(jié)構(gòu)的變化。在這一反應(yīng)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一些破壞催化劑的分子結(jié)構(gòu)的副產(chǎn)品。即使到目前為止，還沒(méi)有清楚地知道這是何種形式的反應(yīng)以及對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程有什么影響?！盞IT卡爾斯魯厄理工學(xué)院ITCP化學(xué)技術(shù)和高分子化學(xué)研究所的Jan-Dierk Grunwaldt教授說(shuō)道。這種反應(yīng)方法自19世紀(jì)20年代問(wèn)世后在世界各地得到了大規(guī)模的使用，現(xiàn)在KIT卡爾斯魯爾理工學(xué)院的科研人員首次利用X射線研究了工業(yè)化生產(chǎn)條件下生產(chǎn)合成燃料時(shí)反應(yīng)過(guò)程中的催化劑，通過(guò)試驗(yàn)獲得的知識(shí)開發(fā)量身定制的“促進(jìn)劑”。

原子層級(jí)的催化劑

集裝箱中的化工 廠：KIT卡爾斯魯爾理工學(xué)院的展示設(shè)備清楚演示了Power-to-X緊湊的生產(chǎn)過(guò)程

“我們與IMVT微過(guò)程技術(shù)研究所和IKFT催化技術(shù)研究所的專家們一起深入研究了這一過(guò)程的核心”，IKFT催化技術(shù)研究所的Marc-Andrée Serrer先生說(shuō)：“在試驗(yàn)期間，我們采用了同步加速器研究的方法，也就是X射線吸收光譜法和X射線衍射法，從而第一次能夠在流程工業(yè)的生產(chǎn)條件下觀察原子級(jí)的費(fèi)托合成催化劑的工作情況。雖然過(guò)去我們已經(jīng)利用同步加速器以及用特殊的粒子加速器產(chǎn)生的特別強(qiáng)烈的X射線對(duì)催化反應(yīng)進(jìn)行了研究，但到目前為止在P2X系統(tǒng)中，在高溫和高壓作用下的實(shí)際環(huán)境中的反應(yīng)仍然是一個(gè)無(wú)法克服的障礙?！?/p>

因此，KIT卡爾斯魯爾理工學(xué)院在催化劑研究室的測(cè)量設(shè)備處建造了一套全新的可以用高壓的同步加速器基礎(chǔ)設(shè)施。采取這一措施之后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功在250 ℃、3 Mpa壓力的真實(shí)條件下完成了300 h的商用鈷鎳催化費(fèi)托合成方式，同時(shí)不僅是首次在這種實(shí)驗(yàn)條件下得到了能夠足夠進(jìn)行分析的碳?xì)浠衔铮已邪l(fā)人員也在催化劑中發(fā)現(xiàn)了使反應(yīng)氣體難以擴(kuò)散的碳?xì)浠衔锏某练e物?！跋乱徊竭@些試驗(yàn)成果可用于研發(fā)專用的催化保護(hù)劑，使催化劑免受失活的影響，例如用促進(jìn)劑改善催化劑的性能?！盙runwaldt先生說(shuō)。這些全新的、建立在原子層級(jí)的催化劑認(rèn)知將來(lái)也可用于計(jì)算機(jī)模擬，以便能夠更快地、更加高效地以及更加節(jié)約資源地開發(fā)P2X過(guò)程的定制催化劑。

從同步加速器到催化劑

首先要有催化劑，因?yàn)橹挥兴筆ower-to-X成為可能?？査刽敔柺械某鮿?chuàng)企業(yè)和KIT理工大學(xué)的子公司采用甲烷化和費(fèi)托合成反應(yīng)技術(shù)從CO和H2中生產(chǎn)“綠色”可燃?xì)饣蛘咂?，其特點(diǎn)是采用了可以在溫度控制和冷卻表面負(fù)荷之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡的汽化冷卻微結(jié)構(gòu)反應(yīng)釜。通過(guò)這種方法可以有效地將反應(yīng)控制和高轉(zhuǎn)化率結(jié)合到一起，同時(shí)也可以將水作為無(wú)毒、易得的溫度控制介質(zhì)。由于每一個(gè)單獨(dú)的微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器模塊與普通電磁灶大小差不多，因此可以也在集裝箱式、緊湊型設(shè)備容器中完成Powerto-X的全部轉(zhuǎn)化過(guò)程。催化劑有著很長(zhǎng)的工作壽命和很高的選擇性，這使得微結(jié)構(gòu)反應(yīng)系統(tǒng)的效率不低于大型生產(chǎn)基地。而且使用科萊恩研發(fā)生產(chǎn)的符合通用工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的催化劑就可以實(shí)現(xiàn)，無(wú)需特殊的催化劑。

液化有機(jī)氫載體技術(shù)的催化劑

Inratec公司和科萊恩公司希望在將來(lái)有著更加深入的合作，共同開發(fā)生產(chǎn)合成燃料和Powerto-X領(lǐng)域中使用基礎(chǔ)化學(xué)品的新技術(shù)?？迫R恩公司擁有催化劑技術(shù)專長(zhǎng)，Ineratec公司則致力于氣體液化技術(shù)和反應(yīng)器模塊技術(shù)。