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關(guān)的能源儲(chǔ)備方式。雖然這一逆過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)化條件下這一過程中所需催化劑結(jié)構(gòu)的變化。在這一反應(yīng)過程中可能會(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)過程有什么影響。”KIT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教授說道。這種反應(yīng)方法自19世紀(jì)20年代問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)過程中的催化劑，通過試驗(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)過程

“我們與IMVT微過程技術(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程的核心”，IKFT催化技術(shù)研究所的Marc-Andrée Serrer先生說：“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?，而且研發(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。”Grunwaldt先生說。這些全新的、建立在原子層級(jí)的催化劑認(rèn)知將來也可用于計(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)化過程。催化劑有著很長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，Ineratec公司則致力于氣體液化技術(shù)和反應(yīng)器模塊技術(shù)。