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近日，國際著名催化專家、日本工程院椿范立院士（現(xiàn)任日本富山大學(xué)低碳能源轉(zhuǎn)化中心創(chuàng)始主任）和團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了使用二氧化碳生產(chǎn)丁二烯橡膠輪胎的技術(shù)，宣告了溫室氣體利用新模式的誕生。

圖 | 椿范立（來源：資料圖）

但這只是一個(gè)開端，在這種利用模式之下，未來可能會(huì)催生使用二氧化碳生產(chǎn)塑料、鉆石、衣服、面包等新型技術(shù)路線，甚至?xí)w衣、食、住、行的方方面面。

基于本次新技術(shù)生產(chǎn)的丁二烯橡膠，課題組已經(jīng)和東洋輪胎公司開展合作，以用于賽車輪胎的實(shí)用化生產(chǎn)。

未來，所生產(chǎn)的輪胎將裝配賽車，讓賽車選手參加巴黎-達(dá)喀爾沙漠越野拉力賽和德國紐柏林 24 小時(shí)耐力挑戰(zhàn)賽。課題組也將根據(jù)賽車選手的使用體驗(yàn)，來繼續(xù)優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)。

事實(shí)上，無論傳統(tǒng)燃油車如何被儲電、燃料電池等類型的新能源汽車迭代更新，輪胎將一直是陸地交通工具不可替代的關(guān)鍵功能單元，其使用量不受能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型影響。

而該課題組使用綠色、低碳甚至是零碳或負(fù)碳的技術(shù)路線，來制備丁二烯橡膠輪胎，能讓輪胎生產(chǎn)擺脫對于傳統(tǒng)化石原料的過度依賴，具有減碳和綠色生產(chǎn)工藝開發(fā)的雙重意義。

作為一種可持續(xù)循環(huán)技術(shù)，它最終有望于 2029 年底之前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。除了用于生產(chǎn)輪胎之外，該技術(shù)也會(huì)吸引其他對于丁二烯橡膠有需求的產(chǎn)業(yè)，從而成為眾多產(chǎn)業(yè)的理想技術(shù)選擇。

眾所周知，二氧化碳是溫室氣體的主要成分，全球年排放量已超過 350 億噸，帶來了諸如氣候變化、海平面上升、海水酸化等一系列環(huán)境生態(tài)問題。

針對這些問題，世界各國紛紛制定相應(yīng)的政策，中國也提出了“30 碳達(dá)峰、60 碳中和”的宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)。而實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，需要減碳和用碳同時(shí)推進(jìn)。

一方面，要進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，用新型可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高碳排放、且日漸短缺的化石能源。

另一方面，需要對不可避免排放的二氧化碳進(jìn)行捕集、資源化利用或封存，即所謂的 CCU（Carbon Capture、Utilization，碳捕集與利用）或 CCUS（Carbon Capture、Utilization and Storage，碳捕集、利用與封存）。

本次研究則重點(diǎn)集中于第二方面。原因在于，二氧化碳除了是一種溫室氣體以外，還是一種來源廣泛的廉價(jià)碳源。

這讓椿范立院士團(tuán)隊(duì)可以結(jié)合自身的化學(xué)、化工背景知識，設(shè)計(jì)高效催化劑和新型反應(yīng)路線，將其轉(zhuǎn)化為液體燃料和多種高值化學(xué)品。

二氧化碳的轉(zhuǎn)化途徑有多種，比如電催化、光催化、等離子體催化等，而該課題組瞄準(zhǔn)轉(zhuǎn)化效率更高、目標(biāo)產(chǎn)品收率更高、更具工業(yè)應(yīng)用潛力的熱催化二氧化碳加氫技術(shù)路線。

近些年，二氧化碳加氫制液體燃料和芳烴、烯烴等化學(xué)品的研究報(bào)道層出不窮，該團(tuán)隊(duì)也做了大量的工作。

在“雙碳”背景之下，椿范立院士洞察到溫室氣體二氧化碳的資源化利用極有可能是下一個(gè)風(fēng)口，會(huì)帶動(dòng)巨量的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新和資本涌入。

同時(shí)，椿范立院士擁有將近 40 年的低碳小分子資源化利用研究經(jīng)驗(yàn)，豐富的研究經(jīng)驗(yàn)使其所率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)可以與二氧化碳資源化利用研究無縫銜接。

此前，他們曾通過開發(fā)新的催化體系，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳加氫制備乙醇，相關(guān)論文很早之前就已經(jīng)發(fā)表。

在當(dāng)時(shí)看來這是非常有前瞻性的研究成果，也有很多外部實(shí)驗(yàn)室追蹤他們的工作。隨后，椿范立院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)挑戰(zhàn)未知領(lǐng)域，接連攻克了乙醇制丁二烯、丁二烯聚合制橡膠技術(shù)，打通了二氧化碳制丁二烯橡膠輪胎最關(guān)鍵的技術(shù)路線。

當(dāng)然，這一過程也離不開企業(yè)的支持，來自業(yè)界的應(yīng)用視角時(shí)刻提醒他們做能落地、有效益的二氧化碳資源化利用研究。

最終，憑借上述路線他們實(shí)現(xiàn)了自己的初衷：將溫室氣體二氧化碳資源化的利用，從化學(xué)品轉(zhuǎn)變到產(chǎn)品。

（來源：資料圖）

總的來說，他們更加聚焦于使用二氧化碳加氫的方法，合成更具價(jià)值、挑戰(zhàn)性更大的產(chǎn)品。

比如，當(dāng)二氧化碳加氫合成混合芳烴研究如火如荼時(shí)，他們考慮到混合芳烴分離工序的超高成本，另辟蹊徑提出并開發(fā)了二氧化碳加氫合成對二甲苯的路線。

目前，該技術(shù)路線已經(jīng)在進(jìn)行工藝放大，未來有望建設(shè)萬噸級的示范和應(yīng)用工廠。

而此次著重介紹的二氧化碳制零碳/負(fù)碳丁二烯橡膠輪胎技術(shù)，也同樣是尋求創(chuàng)新、標(biāo)新立異的研究成果。

當(dāng)前，二氧化碳加氫資源化利用的出口，主要瞄準(zhǔn)于液體燃料或者高值化學(xué)品。而該團(tuán)隊(duì)則直接把二氧化碳轉(zhuǎn)化為能被即刻使用的產(chǎn)品。

這種新的溫室氣體利用方式，或能啟發(fā)科研人員開發(fā)出新的二氧化碳資源化利用路徑，為當(dāng)前處于減碳和用碳思維困境中的入局者打開一扇窗。

日前，相關(guān)論文以《來自二氧化碳的碳中性丁二烯橡膠》（Carbon-neutral butadiene rubber from CO2）為題發(fā)在 Chem（IF 23.5）。

寧夏大學(xué)王康洲教授是第一作者，中國石油大學(xué)（華東）王陽教授、日本富山大學(xué)的中治平林忠（Tadashi Nakaji-Hirabayashi）教授和椿范立院士擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Chem）

后續(xù)，椿范立院士團(tuán)隊(duì)將持續(xù)關(guān)注二氧化碳資源化利用研究方向。除了開辟新的技術(shù)路線外，他們也注重與產(chǎn)業(yè)界的合作。

目前，課題組基于二氧化碳加氫制備芳烴和乙醇等成果，正在能源企業(yè)合作進(jìn)行工藝中試放大。

值得注意的是，擔(dān)任本次論文第一作者的王康洲，已經(jīng)回國加入寧夏大學(xué)材料與新能源學(xué)院，目前主要研究能源催化新材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用、以及低碳資源的催化和轉(zhuǎn)化。

擔(dān)任本次論文共同通訊作者的王陽，則已回國加入中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，目前主要研究碳基催化材料開發(fā)及其在合成氣、二氧化碳、天然氣或頁巖氣催化轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用。

DeepTech 采訪到了王陽本人，他表示在本次研究之中，在椿范立院士的帶領(lǐng)之下，自己主要負(fù)責(zé)第一階段二氧化碳加氫制乙醇的研究工作。

王陽說：“還記得我披星戴月去實(shí)驗(yàn)室裝置取數(shù)據(jù)，現(xiàn)在回想起守在氣相色譜儀打印機(jī)旁看信號峰的實(shí)驗(yàn)日常是非常美妙的?！?/span>

他繼續(xù)說道：“專注與聚焦是我在富山大學(xué)所收獲的最寶貴的科研品質(zhì)，這也一直對我產(chǎn)生影響?？赡芨L(fēng)熱點(diǎn)做時(shí)髦的研究能讓你收獲眼前的高檔次論文、引用次數(shù)等，但是做開拓性的工作是產(chǎn)生行業(yè)影響力的最佳途徑，這也是我和目前自己的團(tuán)隊(duì)正在持之以恒努力的方向?！?/span>

參考資料：

1.Wang,K. et al. Carbon-neutral butadiene rubber from CO2. Chem(2024). https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.01.004

運(yùn)營/排版：何晨龍