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二氧化碳 (CO2) 的化学合成

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背景

自然大气中二氧化碳(一种无色气体)的含量范围为 0 至 5%。它由三个原子组成:一个没有净偶极矩的线性分子是由两个氧原子与一个碳原子结合而成的。它是通过以下方式制定的:(1)人和动物等有氧生物主要在呼吸过程中产生它。尽管如此,它也可能在燃烧或有机废物的微生物分解过程中产生 (2),通过燃烧化石燃料,包括煤、石油、汽油和天然气,产生大量的人为排放,以及 (3) 取决于预期的产品,除了用于制造水泥或苏打水等工业过程之外,二氧化碳还可以通过各种催化途径将其转化为化学品而直接使用。

 

二氧化碳利用方法

可以使用各种技术将二氧化碳转化为有价值的化合物。涉及高温的热催化转化;使用工程细菌菌株进行微生物转化;使用可再生能源直接电化学还原;利用阳光进行光催化还原;使用从活细胞中提取的酶进行线粒体介导的酶促转化;使用有机金属试剂和贱金属(如催化剂铜或铁)合成有机化学;使用生物催化剂的酶辅助反应就是其中的一部分。根据预期的产品类别、生产率、能源消耗等,每种技术都有独特的优势。

 

 

将电直接施加到 CO2 分子上会使它们变成甲酸根离子,甲酸根离子可能与其他分子相互作用,生成有价值的化合物,如甲醇和乙醇。这个过程被称为直接电化学转化。这种方法通过使用风能和太阳能等可再生能源代替传统化石燃料,消除了与其使用相关的任何温室气体排放,鉴于当前的全球气候变化问题,这使其成为一个有吸引力的选择。而且这种方法比现在可用的其他方法更实惠,因为它的利用率接近 100% 并且对催化剂材料的需求低。然而,由于与光催化技术相比反应速度慢,以及与反应器尺寸要求相关的有限可扩展性问题,以达到当今行业标准要求的大规模生产水平,因此在该选项被认为具有商业可行性之前,仍必须解决一些问题。

 

光催化还原:使用光能和催化剂,如掺杂有各种过渡金属氧化物(如银、钴、氧化锌等)的二氧化钛纳米晶体,光催化还原将 CO2 分子转化为甲酸根离子(如果在阴极电位下应用)或羟基自由基,如果应用于阳极电位。这两种产品在各个行业都有广泛的用途,从溶剂到溶剂,并且由于这种方法只需要一个光源而不是传统的热能加热,因此它是在不合适的环境中进行光化学合成的一个有吸引力的选择否则,例如空间和资源分别有限的小批量生产或实验室。这种方法还提供了无与伦比的灵活性。

 

 

设计某些细菌菌株以直接从环境中吸收溶解的气体,例如空气,并将它们转化为有价值的代谢物,例如脂肪酸,这被称为“微生物转化”。由于不需要额外的外部底物,这种方法在成本方面优于这里列出的其他方法,因为不需要购买额外的反应物;相反,专门的文化可以在一个人的财产上以低廉的成本种植,并在环境中有效地使用。由于基因操作技术的改进,即使是复杂的多步反应现在也可以快速准确地产生所需水平的目标化合物,从而确保在可预见的未来后续项目的质量控制操作不会中断。研究人员越来越多地使用基因操作技术来创造新的药物和治疗方法。为了在竞争中保持领先地位并在科学发展突破中保持竞争优势,医疗保健行业快速增长的全球市场需要不断增加的研究数量。

 

 

热催化转化: 热催化是将热量应用于含有氢气和一氧化碳的混合物,以生产类似于石油馏分的液态碳氢化合物,但其质量比当今从化石燃料开采地点获得的标准原油纯净得多。使获得炼油行业在其他地方难以获得的有价值的最终产品成为可能。聚合物合成是通过热化学实现的——多元醇、塑料、橡胶、泡沫、粘合剂、密封剂、胶水和涂料。纺织品、纤维和复合材料在化妆品、包装、食品加工、汽车工程、建筑施工、农业和航空航天等各个行业都有不同的用途。这就是为什么他们迅速流行起来,并在全球范围内成为技术行业的领导者。线粒体介导的酶转化需要从活细胞中提取酶,特别是线粒体,并将它们转移到另一种介质中,在那里它们转化反应性中间体,最终形成最终产品指定点预定途径,这是由于有价值的中间代谢物多种共生化合物的产生。乳酸、乙偶姻、甘油和酒精 乙酸琥珀酸、胡椒烯酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸、富马酸、戊二醛、2-羟基苯甲酸酯、苯氧乙酸和 2-甲基苯氧乙醇只是少数可以以更低的价格以更高的准确度和纯度提取的化合物价值。

 

然而,与直接电化学方法相比, 线粒体转化 具有较慢的动力学,这意味着在到达终点之前完成循环需要更长的时间。这可能会降低实际吞吐量。在某些情况下,需要更快的响应时间。确保最终产品按预期日期和向客户承诺的时间表交付。在开始项目之前,这是一个关键因素,可以避免任何可能导致延误的失望,延误可能使组织损失金钱或对其声誉、品牌知名度和市场份额造成长期损害。

 

有机合成化学: 由过渡金属、配体和支持结构组成的有机金属试剂的产生以产生有利的立体选择性被称为合成有机化学或“有机金属学”。与其他课程主题参数相比,必须考虑每个案例基础,以充分确定在上下文中运行的最佳最佳条件,确保最大效率。转化过程中的化学区域选择性允许在短时间内轻松完成分子特定位置的选择性官能团形成。最大限度地减少劳动力、材料和资源的浪费,同时高度重视安全人员设备。请记住,在项目执行阶段的每个阶段,包括以最成功的可行方式交付客户,尽管面临障碍和不可预见的情况。

 

二氧化碳 (CO2) 的化学合成示例

  1. 甲醇合成:孟山都方法包括在铜锌催化剂存在下二氧化碳与氢气的相互作用,可以从二氧化碳中产生甲醇。通过在高温高压(例如 400–430 °C 和 10–20 巴)下,在合适的催化剂上将二氧化碳与氢气混合,可以实现从二氧化碳生产甲醇。 “甲烷化”一词也适用于这个过程。
  2. 甲酸的生产:使用电化学电池和钯-铜催化剂,可以从二氧化碳和氢气中生产甲酸。
  3. 转化为草酸盐:通过涉及硼和铝化合物(如硼砂或氧化铝水合物)和其他酸(包括盐酸或硫酸)的化学过程,二氧化碳也可能转化为草酸盐。
  4. 聚碳酸酯是在四氯化锡或氯化锌等催化剂存在下,将光气与乙二醇等二元醇混合制成的。这会引起聚合反应,从而产生主要由氧原子连接的二氧化碳分子构成的聚合物(即聚碳酸酯)。
  5. 碳酸合成:在硫酸或磷酸等催化剂中,二氧化碳和水结合形成碳酸。结果可能会产生像尿素和格式这样的化合物。
  6. 二甲醚的合成:二甲醚 (DME) 是另一种重要的化合物,可以通过使用用于合成甲醇的催化剂和重整剂(例如 CO2/H2O 或 CO/H2 的混合物)在介于350 和 400 °C 以及高达 20 巴的压力,用于将合成气转化为二甲醚。
  7. 聚碳酸酯生产:由于其强度、耐用性、透明度、耐热性和电绝缘特性,聚碳酸酯通常用于工业应用。它们通常通过双酚与光气发生酯交换反应制成,光气是二氧化碳与氯气或盐酸溶液在高温 (200–300 °C) 下反应生成的。
  8. 碳酸二甲酯 (DMC) 合成是用于生产化合物碳酸二甲酯的过程。它涉及在碱性催化剂(如氢氧化钾或氢氧化钠)存在下,使甲醇与光气或二氧化碳反应。该反应产生碳酸二甲酯和氯化氢,然后通过蒸馏将其从混合物中除去。碳酸二甲酯可用作汽车和飞机防冻剂配方中乙二醇的替代品,以及许多其他应用,包括溶剂、增塑剂、推进剂和燃料。

 

 

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