中國科學院蘭州化學物理研究所二氧化碳原位捕集和催化轉化研究獲新進展
在國家“雙碳”戰略背景下，將二氧化碳（CO2）直接催化轉化為高附加值化學品具有“碳減排”和“碳增匯”的重要意義。
中國科學院蘭州化學物理研究所羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室均多相融合課題組一直致力于CO2催化活化和定向轉化合成精細化學品的研究（Nature Commun., 2019, 10, 2599;Chin. J. Catal. 2019, 40, 1141; ACS Sustainable Chem. Eng., 2017, 5, 5758; Chem. Commun., 2014, 50, 189; Chem. Sci., 2014, 5, 649; Chem. Commun., 2014, 50, 13521），成功創制出Pd/CuZrOx、Pd/Al2O3-NR-RD、Pd/C以及CuAlOx等多相催化材料。
通過CO2和環氧化合物的環加成反應合成環狀碳酸酯是一種有效且可持續的化學固定CO2策略。環狀碳酸酯廣泛應用于工業塑料合成、鋰離子電池電解質、燃料添加劑、綠色試劑、精細化工生產等領域。因此，CO2轉化為環狀碳酸酯的研究受到了廣泛關注。目前，該反應大多采用高純度的CO2（99.99%），但CO2提純過程能耗和成本高、運輸和儲存難。因此，從可持續發展和環境保護的角度出發，通過將煙道氣中的CO2原位捕集和轉化，是非常有前景的研究領域。
圖一、煙道氣中CO2與環氧化合物環加成反應
近日，該課題組開發了一種以PP1,4Br/ZnCl2為催化劑，通過將煙道氣中CO2捕集與環氧化合物原位環加成反應相結合的技術手段，實現了環狀碳酸酯高效合成。雖然煙道氣成分復雜，CO2濃度低（19.4 vol%），但PP1,4Br/ZnCl2體系表現出優異的催化性能，在溫和條件下環碳酸酯的收率可達98%（圖一）。PP1,4Br/ZnCl2具有良好的可回收性、穩定性和耐水性。在PP1,4Br/ZnCl2體系中，即使整個體系的水分含量從1.48 wt%增加到6.98wt%時，收率也沒有明顯變化（圖二）。進一步研究發現，在特定的條件下反應時，體系中CO2殘留量可以降低到600ppm以下，同時環狀碳酸酯可取得較高的收率（圖二）。
圖二、 PP1,4Br/ZnCl2的耐水穩定性研究(a)，煙氣中CO2與環氧化物環加成反應的放大反應(b-d)
上述研究為CO2原位捕集和催化轉化提供了思路。同時，在CO2利用和綠色化工中具有廣闊應用前景。該研究工作以“In situ CO2 Capture and Transformation to Cyclic Carbonate Using Flue Gas”為題在線發表在Green Chemistry (https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/gc/d2gc04757h)上。中國科學院大學碩士生馬海英為論文第一作者，石峰研究員為通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學基金，中科院和甘肅省自然科學基金的支持。
來源：羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室
