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二氧化碳 (CO2) 的化學合成

目錄

背景

自然大氣中二氧化碳(一種無色氣體)的含量範圍為 0 至 5%。它由三個原子組成:一個沒有淨偶極矩的線性分子是由兩個氧原子與一個碳原子結合而成的。它是通過以下方式製定的:(1)人和動物等有氧生物主要在呼吸過程中產生它。儘管如此,它也可能在燃燒或有機廢物的微生物分解過程中產生 (2),通過燃燒化石燃料,包括煤、石油、汽油和天然氣,產生大量的人為排放,以及 (3) 取決於預期的產品,除了用於製造水泥或蘇打水等工業過程之外,二氧化碳還可以通過各種催化途徑將其轉化為化學品而直接使用。

 

二氧化碳利用方法

可以使用各種技術將二氧化碳轉化為有價值的化合物。涉及高溫的熱催化轉化;使用工程細菌菌株進行微生物轉化;使用可再生能源直接電化學還原;利用陽光進行光催化還原;使用從活細胞中提取的酶進行線粒體介導的酶促轉化;使用有機金屬試劑和賤金屬(如催化劑銅或鐵)合成有機化學;使用生物催化劑的酶輔助反應就是其中的一部分。根據預期的產品類別、生產率、能源消耗等,每種技術都有獨特的優勢。

 

 

將電直接施加到 CO2 分子上會使它們變成甲酸根離子,甲酸根離子可能與其他分子相互作用,生成有價值的化合物,如甲醇和乙醇。這個過程被稱為直接電化學轉化。這種方法通過使用風能和太陽能等可再生能源代替傳統化石燃料,消除了與其使用相關的任何溫室氣體排放,鑑於當前全球氣候變化問題,它成為一個有吸引力的選擇。而且這種方法比現在可用的其他方法更實惠,因為它的利用率接近 100% 並且對催化劑材料的需求低。然而,由於與光催化技術相比反應速度慢,以及與反應器尺寸要求相關的有限可擴展性問題,以達到當今行業標準要求的大規模生產水平,因此在該選項被認為具有商業可行性之前,仍必須解決一些問題。

 

光催化還原:使用光能和催化劑,如摻雜有各種過渡金屬氧化物(如銀、鈷、氧化鋅等)的二氧化鈦納米晶體,光催化還原將 CO2 分子轉化為甲酸根離子(如果在陰極電位下應用)或羥基自由基,如果應用於陽極電位。這兩種產品在各個行業都有廣泛的用途,從溶劑到溶劑,並且由於這種方法只需要一個光源而不是傳統的熱能加熱,因此它是在不合適的環境中進行光化學合成的一個有吸引力的選擇否則,例如空間和資源分別有限的小批量生產或實驗室。這種方法還提供了無與倫比的靈活性。

 

 

設計某些細菌菌株以直接從環境中吸收溶解的氣體,例如空氣,並將它們轉化為有價值的代謝物,例如脂肪酸,這被稱為“微生物轉化”。由於不需要額外的外部底物,這種方法在成本方面優於這裡列出的其他方法,因為不需要購買額外的反應物;相反,專門的文化可以在一個人的財產上以低廉的成本種植,並在環境中有效地使用。由於基因操作技術的改進,即使是複雜的多步反應現在也可以快速準確地產生所需水平的目標化合物,從而確保在可預見的未來後續項目的質量控制操作不會中斷。研究人員越來越多地使用基因操作技術來創造新的藥物和治療方法。為了在競爭中保持領先地位並在科學發展突破中保持競爭優勢,醫療保健行業快速增長的全球市場需要不斷增加的研究數量。

 

 

熱催化轉化: 熱催化是將熱量應用於含有氫氣和一氧化碳的混合物,以生產類似於石油餾分的液態碳氫化合物,但其質量比當今從化石燃料開採地點獲得的標準原油純淨得多。使獲得煉油行業在其他地方難以獲得的有價值的最終產品成為可能。聚合物合成是通過熱化學實現的——多元醇、塑料、橡膠、泡沫、粘合劑、密封劑、膠水和塗料。紡織品、纖維和復合材料在化妝品、包裝、食品加工、汽車工程、建築施工、農業和航空航天等各個行業都有不同的用途。這就是為什麼他們迅速流行起來,並在全球範圍內成為技術行業的領導者。線粒體介導的酶轉化需要從活細胞中提取酶,特別是線粒體,並將它們轉移到另一種介質中,在那裡它們轉化反應性中間體,最終形成最終產品指定點預定途徑,這是由於有價值的中間代謝物多種共生化合物的產生。乳酸、乙偶姻、甘油和酒精 乙酸琥珀酸、胡椒烯酸、琥珀酸、蘋果酸、酒石酸、富馬酸、戊二醛、2-羥基苯甲酸酯、苯氧乙酸和 2-甲基苯氧乙醇只是少數幾種化合物,它們可以以更低的價格以更高的準確度和純度提取,作為添加物價值。

 

然而,與直接電化學方法相比, 線粒體轉化 具有較慢的動力學,這意味著在到達終點之前完成循環需要更長的時間。這可能會降低實際吞吐量。在某些情況下,需要更快的響應時間。確保最終產品按預期日期和向客戶承諾的時間表交付。在開始項目之前,這是一個關鍵因素,可以避免任何可能導致延誤的失望,延誤可能使組織損失金錢或對其聲譽、品牌知名度和市場份額造成長期損害。

 

有機合成化學: 由過渡金屬、配體和支持結構組成的有機金屬試劑的產生以產生有利的立體選擇性被稱為合成有機化學或“有機金屬學”。與其他課程主題參數相比,必須考慮每個案例基礎,以充分確定在上下文中運行的最佳最佳條件,確保最大效率。轉化過程中的化學區域選擇性允許在短時間內輕鬆完成分子特定位置的選擇性官能團形成。最大限度地減少勞動力、材料和資源的浪費,同時高度重視安全人員設備。請記住,在項目執行階段的每個階段,包括以最成功的可行方式交付客戶,儘管面臨障礙和不可預見的情況。

 

二氧化碳 (CO2) 的化學合成示例

  1. 甲醇合成:孟山都方法包括在銅鋅催化劑存在下二氧化碳與氫氣的相互作用,可以從二氧化碳中產生甲醇。通過在高溫高壓(例如 400–430 °C 和 10–20 巴)下,在合適的催化劑上將二氧化碳與氫氣混合,可以實現從二氧化碳生產甲醇。 “甲烷化”一詞也適用於這個過程。
  2. 甲酸的生產:使用電化學電池和鈀-銅催化劑,可以從二氧化碳和氫氣中生產甲酸。
  3. 轉化為草酸鹽:通過涉及硼和鋁化合物(如硼砂或氧化鋁水合物)和其他酸(包括鹽酸或硫酸)的化學過程,二氧化碳也可能轉化為草酸鹽。
  4. 聚碳酸酯是在四氯化錫或氯化鋅等催化劑存在下,將光氣與乙二醇等二元醇混合製成的。這會引起聚合反應,從而產生主要由氧原子連接的二氧化碳分子構成的聚合物(即聚碳酸酯)。
  5. 碳酸合成:在硫酸或磷酸等催化劑中,二氧化碳和水結合形成碳酸。結果可能會產生像尿素和格式這樣的化合物。
  6. 二甲醚的合成:二甲醚 (DME) 是另一種重要的化合物,可以通過使用用於合成甲醇的催化劑和重整劑(例如 CO2/H2O 或 CO/H2 的混合物)在介於350 和 400 °C 以及高達 20 巴的壓力,用於將合成氣轉化為二甲醚。
  7. 聚碳酸酯生產:由於其強度、耐用性、透明度、耐熱性和電絕緣特性,聚碳酸酯通常用於工業應用。它們通常通過雙酚與光氣發生酯交換反應製成,光氣是二氧化碳與氯氣或鹽酸溶液在高溫 (200–300 °C) 下反應生成的。
  8. 碳酸二甲酯 (DMC) 合成是用於生產化合物碳酸二甲酯的過程。它涉及在鹼性催化劑(如氫氧化鉀或氫氧化鈉)存在下,使甲醇與光氣或二氧化碳反應。該反應產生碳酸二甲酯和氯化氫,然後通過蒸餾將其從混合物中除去。碳酸二甲酯可用作汽車和飛機防凍劑配方中乙二醇的替代品,以及許多其他應用,包括溶劑、增塑劑、推進劑和燃料。

 

 

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