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李灿:20年前受自然“光合作用”的启发

2020-10-16 16:51:58来源:中国医药新闻网编辑:金子
 

  十月十五日,由中国科学院大连化学物理研究所牵头研制的“千吨液态太阳能燃料合成示范工程”在兰州新区成功通过中国石油化学工业联合会组织的科技成果鉴定。

  评审会专家一致认为:该项目集成创新了太阳能液体燃料全流程合成工艺装置,拥有完全自主知识产权,整体技术处于国际领先水平。

  造梦:道法自然,造福人类。

  长久以来,人类以煤炭、石油等化石能源为主的能源结构释放出大量的二氧化碳,由此引发的气候变化及生态破坏问题,又一次对人类产生严重影响。

  当前,减少二氧化碳排放已经成为全球关注的热点问题。此外,科学家还对二氧化碳的捕获、封存和回收利用进行了大量的探索。

  李灿,中科院院士、中科院大连化学物理研究所研究员,20年前受自然“光合作用”的启发。”大自然的植物可以将空气中的水和二氧化碳转化为生物物质,每天都吃蔬菜等等,那么我们人类是否可以学习大自然,并将它们“转化”?在人造合成过程中,通过提高光合作用效率,将二氧化碳和水转变为人类所需的燃料。李灿说。

  回答是肯定的李灿告诉《中国科学报》,从科学认识自然光合作用的角度来看,二氧化碳加氢制甲醇是在光合作用中进行暗反应的功效,是太阳能制液体燃料的重要途径。”具体地说,就是利用可再生能源,如太阳能,发电和电解生产“绿色”氢能,并将二氧化碳加氢转化成液体燃料,如“绿色”甲醇,这也是合成液态太阳燃料的技术路线。

  将太阳能转化成液体燃料,科学家将其形象地称为“液体阳光”。

  规模开发“液态阳光”优势明显,李灿算了一笔“生态经济账”,每吨甲醇需要转化1.375吨二氧化碳,而我国甲醇年产能约为8000万吨,如果全部采用“液态阳光”技术路线,则可转化上亿吨二氧化碳。与此同时,合成1吨甲醇可以储存8000多度电,这意味着这一路线还可以作为化学能量大规模储存的技术手段。

  液体太阳能燃料合成技术为减少二氧化碳排放提供了一个全新的途径,将可再生能源转化为绿色液体燃料。李灿的总结

  圆梦想:迈出重要的一步。

  从2001年开始,李灿带领团队一直致力于太阳能综合利用和水解制氢基础研究,在光催化、电解水和二氧化碳转化等领域取得了重大进展。

  2017年10月,李灿团队经过近20年的攻坚克难,终于实现了二氧化碳加氢制甲醇技术的突破,研制出二元金属氧化物ZnO-ZrO2固溶体催化剂,实现了二氧化碳高选择性、高稳定性加氢合成甲醇。

  在接近实际工业化条件下,当CO2单程转化率超过10%时,甲醇选择性保持在90%左右,这是二氧化碳加氢合成甲醇综合水平最高的结果,这一成果被刊登在国际高水平学术期刊《科学进展》上,引起了国内外同行的高度关注。

  不久,研究结果就从实验室走向了工厂。2018年8月,在兰州新区的支持下,世界上第一个装机容量为10兆瓦光伏电站的太阳能燃料大规模合成示范装置正式落地兰州新区。本课题是由中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)、兰州新区石化产业投资集团有限公司(以下简称“石化集团”)的建设与运营,以及华陆工程科技有限公司设计的。

  该项目于2020年1月试车成功,标志着将太阳能等可再生能源转化为液体燃料进入工业化生产阶段。

  液体太阳能燃料的合成包括三个重要环节:太阳能光伏、电解水制氢和二氧化碳氢化合成甲醇。在电解水制氢和二氧化碳加氢制甲醇两大核心技术方面,李灿团队实现了创新突破。

  就电解水制氢而言,实现了高效率、低成本、长寿命大规模电催化分解水制氢技术,经试验证明,该技术可使单套工业电解槽的产氢规模大于1000标方氢/小时,单位氢耗降低到4.3度电/方氢以下,是目前全球规模最大的碱性电解水制氢技术。

  本文介绍了一种廉价、高选择性、高稳定性的二氧化碳加氢制甲醇催化技术。研制成功固溶体双金属氧化物催化剂,实现了千吨级工业装置每年绿色甲醇合成,甲醇选择性达98%,有机相甲醇含量达99.5%,催化剂抗中毒、抗烧结。

  实地考察小组组长、北京大学教授刘海超表示,该太阳燃料液态合成示范装置实现了太阳能、水和二氧化碳直接合成甲醇的绿色规模化生产,并为解决可再生能源间歇性问题和“弃光、弃风、弃水”问题提供了新的思路。

  逐梦者:发展“流动阳光”经济。

  实验成果的快速落地转化离不开紧密的“政产学研”合作和相互欣赏。据兰州新区管委会主任李东新介绍,这是兰州新区首个在西部地区率先开展的大型液体太阳能燃料合成示范项目,将有助于兰州新区实现高质量、高水平的发展。

  "人类最后使用的绿色能源是太阳能,而太阳能液体燃料的合成是向太阳能利用迈出的重要一步。"华东师范大学教授、中科院院士何鸣元对此评价很高。

  由于可再生能源发电成本和电解水制氢成本的进一步降低,绿色氢能和太阳能燃料的生产成本将大大降低,通过二氧化碳大规模捕获和回收利用,推动可再生能源更大规模的发展,有望从根本上改善我国的生态环境,帮助解决全球碳排放和气候变化问题。

  事业未成,下一步还要继续改进工艺技术。“液态阳光经济”是李灿实现“液态阳光”工程、促进“液态阳光经济”的伟大梦想。

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