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支持碳中和,二氧化碳利用新技术、新思路分享

已有 1352 次阅读 2021-10-19 14:51 |个人分类:生物基|系统分类:科普集锦

当前全球都在主推碳中和,关于CO2的捕捉和利用技术(CCU)越来越多。“消灭”主要温室气体CO2成为一个重要的研究领域,捕捉只是基础,关键在转化利用。如能将CO2转化为燃料(如甲醇、乙醇等),合成聚合物的化学品单体(如乙烯),有附加值的其他产品,哪怕是没有温室效应的其他物质都是功德无量。熟悉生化反应的人员都知道,CO2的惰性很强,转化往往需要注入能量,或者需要特殊结构的物质,能否实现一些奇思妙想,关键是能否找到合适的催化剂、反应容器等。下文分享一些近期的研究进展,仅供参考!



初创公司使用CO2来创造生物聚合物单体



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Cemvita工厂的评估结果表明,每年可以利用170万吨CO2生产10亿磅(约4.5亿公斤)生物乙烯用来制造塑料,这个数字还是很惊人的。Cemvita工厂使用微生物来减少温室气体排放,生产用于塑料制造的生物聚合物。这家位于休斯顿的工业生物技术初创公司由西方子公司和其他公司资助,利用其合成生物学转换平台将CO2转化为“增值产品”。
 
CemvitaFactory的联合创始人兼首席执行官MojiKarimi说:“解释这个过程的最好方法是,它类似于生物燃料的制造方式。Cemvita公司没有采用玉米或糖作为原料,使用酵母用于制造生物燃料的发酵过程,而是通过基因工程改造的微生物使用CO2作为原料来制造有价值的有机分子。”该公司已经确定了30多种可以由CO2制成的关键分子。研究开发的重点主要放在聚合物和塑料的单体上,因为它们将在更长的时间内隔离碳,而不是作为燃料燃烧后再次回到自然界。
 
2019年,CemvitaFactory获得Occidental子公司OxyLowCarbonVentures(OLCV)的股权投资,以推进借助生物工程技术以CO2为原料生产可持续间化学品和聚合物。

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乙烯是一种广泛用于化学工业的碳氢化合物,主要作为聚合物的前驱体生产耐用、长寿命的产品。同时它也是一种天然存在的植物激素,可促进果实成熟。例如香蕉的成熟是内部在环境压力和温度下自然发生的化学反应。
 
CemvitaFactory公司从香蕉中提取了乙烯形成酶的基因,并将其设计到宿主微生物中,这种经过改造的微生物正在将CO2和水转化为生物乙烯,理论上来说还有可能会产生O2,这被称为来自大自然的灵感。
 
Cemvita工厂的早期经济评估表明,该公司每年可以利用来自热电厂170万吨CO2,并生产出10亿磅生物乙烯。目前该公司正在显着提高工程微生物的生产力,以实现与OLCV一起决定的商业指标。
 
OLCV和Cemvita工厂在4月份宣布了一项计划,该计划使用二氧化碳代替碳氢化合物来源的原料,建造和运营一个每月1公吨的生物乙烯中试工厂。该试点项目将扩大在实验室测试中成功的工艺,这表明OLCV-Cemvita技术与烃源乙烯工艺相比具有竞争力,该试点工厂预计将于2022年启动。
 
这项技术可以提供一个机会,向市场提供一种新的、非碳氢化合物来源的乙烯产品,减少碳排放,并在未来使我们的投资公司OxyChem受益,OxyChem是其氯乙烯业务中乙烯的大型生产商和消费者,OLCV技术副总裁RobertZeller说。
 
CemvitaFactory在8月宣布,它已收到MojiKarimi告诉Upstream的“数百万美元”的A轮融资,以加速公司致力扭转气候变化的使命。OLCV与8090Partners、SeldorCapital和ClimateCapital一起参与了本轮融资。
 
据MojiKarimi称,这笔资金将有助于支持Cemvita平台的扩大和生物数据库或“生物信息学引擎”的开发,其中包含优化不同类型二氧化碳摄取微生物的数据。“基因工程使用来自大豆植物的基因,该基因被放入酵母中,这一点得到了很好的研究。我们使用的微生物不像酵母或大肠杆菌那样得到充分研究,因此我们正在建立这些数据库。”
 
CemvitaFactory介绍
在CemvitaFactory,我们的使命是通过经济的碳负解决方案来应对气候变化,从而产生积极的气候影响。作为致力于环境科学、能源和采矿技术的科学家、工程师和企业家,我们拥有实现全球变化的内部专业知识。我们正在为帮助我们的客户实现能源转型铺平道路。我们这个时代最大的挑战是我们利用自然的力量和生物的智慧的最大机会。

 

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将CO2转化为有用化合物的简单方法




日本的研究人员发现了一种将主要温室气体二氧化碳(CO2)转化为有用化学品的节能方法。使用该方法,CO2被转化为称为金属有机框架(MOF)的结构,这提出了一种处理温室气体以帮助应对全球变暖的新的更简单的途径。


该研究由京都大学综合细胞材料科学研究所(iCeMS)的科学家及其同事进行,结果发表在《美国化学学会杂志》上。

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使用这种新方法,二氧化碳在室温和没有高压的情况下被转化为有用的多孔复合物(PCPs/MOFs)。(©Mindy Takamiya/京都大学 iCeMS)


“利用化石燃料燃烧释放的CO2并将气体转化为有价值的化学品和材料是保护环境的一种很有前途的方法。但是因为CO2是一种非常惰性和稳定的分子,使用传统的转化过程很难让它发生反应,”主持这项研究的iCeMS化学家SatoshiHorike说。“我们的工作展示了一种更简单的方法,可以在更低的温度和压力下运行。这应该会让CO2的反应更容易产生并且更受欢迎。”


日本团队将MOF作为目标,因为它们具有广泛的用途,包括用作生物传感器和催化剂。此外,由于MOF是多孔结构,可以容纳大量气体,因此它们显示出作为可持续氢燃料存储设备的前景。


为了进行反应,研究人员在25°C的温度和0.1MPa的压力下将CO2通过一种含有一种称为哌嗪的有机分子的溶液进行鼓泡,化学家称之为“一锅”程序。MOF以白色微晶粉末的形式迅速出现,可以收集和干燥。使用X射线和核磁共振光谱对其结构进行分析,证实转化已按计划进行。


MOF具有高表面积,即使它们是由超过30%的CO2制成的,这些特性使其适合作为许多应用的功能材料。研究人员现在计划看看他们如何利用反应直接从工业烟气中转化CO2,例如煤和燃气发电站释放的那些烟气。


“直接利用CO2具有挑战性,但它可能会节省捕获和分离气体所需的大量能源,”Horike说。“必须减少和规范化石燃料燃烧产生的CO2排放,以保护环境。我们这里的方法是帮助解决一些重要环境问题的潜在线索。”
 

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新型催化剂,推进CO2到乙醇的转化




理论与实验相结合,最新研究成果展示了三元催化剂如何帮助将过量的CO2转化为可用的乙醇。
 
科学家的国际合作已经朝着实现近乎“绿色”的零净碳技术迈出了重要的一步,该技术将CO2和氢有效地转化为乙醇,乙醇可用作燃料并具有许多其他化学应用。该研究报告了成功引导这一具有挑战性的反应的“路线图”,并通过理论建模和实验表征提供了完整反应序列的图片。
 
在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的领导下,该小组确定将氧化铯、铜和氧化锌结合在一起形成紧密接触的配置,可将二氧化碳(CO2)催化转化为乙醇(C2H6O)。他们还发现了为什么这个由三部分组成的界面是成功的。这项研究发表在7月23日《美国化学学会杂志》在线版的一篇论文中,并在该刊物的封面上进行了介绍。该研究将推动进一步研究如何开发一种实用的工业催化剂,用于选择性地将二氧化碳转化为乙醇。这些过程可将燃烧排放的CO2转化为可用的化学品或燃料。
 
研究中检查的三种组分中没有一种能够单独催化CO2到乙醇的转化,成对使用也不行。但是当三种组分以某种形式聚集在一起时,他们相遇的区域为C-C的形成开辟了一条新途径,使CO2转化为乙醇成为可能。关键是铯、铜和氧化锌位点之间的良好相互作用。
 
“在CO2转化为甲醇方面有很多工作,但乙醇比甲醇有很多优势。作为燃料,乙醇更安全、更有效。但由于反应的复杂性和控制C-C键形成的难度,它的合成非常具有挑战性,”该研究的相应研究员、布鲁克海文研究人员刘平说。“我们现在知道进行转换需要什么样的配置,以及每个组件在反应过程中扮演的角色。这是一个很大的突破。”
 
该界面是通过在氧化锌表面沉积微量铜和铯形成的。为了研究这三种材料相遇的区域,研究小组转向了一种称为X射线光电子能谱的X射线技术,该技术表明,当添加铯时,CO2加氢反应机理可能发生变化。使用两种广泛使用的理论方法揭示了更多细节:“密度泛函理论”计算(用于研究材料结构的计算建模方法)和“动力学蒙特卡罗模拟”(用于模拟反应动力学的计算机模拟)。在这项工作中,该小组利用了布鲁克海文功能纳米材料中心和劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心的计算资源,这两个中心都是能源部科学用户设施办公室。
 
他们从建模中学到的一件事是铯是有源系统的重要组成部分,没有它的存在,就不能制造乙醇。此外,与铜和氧化锌的良好配合也很重要,但是还有很多东西需要学习。
 
参与这项工作的布鲁克海文化学家Jose Rodriguez说:“在实现可以将CO2转化为可用乙醇的工业过程之前,有许多挑战需要克服。例如,需要有一种明确的方法来提高乙醇生产的选择性。一个关键问题是了解催化剂的性质与反应机理之间的联系;这项研究处于这项工作的前线,我们的目标是对这个过程有一个基本的了解。”
 
该研究领域的另一个目标是找到一种理想的催化剂,用于将CO2转化为“高级”醇,这种醇具有两个或多个碳原子(乙醇有两个),因此更适用于工业应用和生产商品的。在这项工作中研究的催化剂是有利的,因为基于铜和氧化锌的催化剂已经在化学工业中广泛使用,并用于催化过程,例如从CO2合成甲醇。
 
研究人员计划在布鲁克海文的国家同步加速器光源II进行后续研究,这也是美国能源部科学用户设施办公室,它提供了一套独特的工具和技术,用于在工作条件下表征催化剂。在那里,他们将更详细地研究Cu-Cs-ZnO系统和不同成分的催化剂。
 
这项研究由布鲁克海文国家实验室(Xuelong Wang、Jose Rodriguez、PingLiu)、委内瑞拉中央大学(Pedro Ramirez)和石溪大学(Wenjie Liao)的科学家进行。

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