未来能源的催化技术进展

文/ Dominik Stephan

在K I T卡尔斯鲁尔理工学院，科研人员正在研究Powerto-X关键技术中使用的费托反应催化剂

德国Power-to-X技术核心的催化剂——工业企业和科研机构都在狂热地致力于将能源和废气转化为汽油、烯烃或可燃气的工艺技术，本文讲述了如何使废料再次变成原材料并使之成为可能。

氢化合物是如何转换为能源的是比较容易解释清楚的，但是在能量的帮助下怎么将惰性的反应物转换为原材料却是比较难解释的。比如Power-to-X希望能够把燃烧后的灰烬转化成煤炭，用多余的能量来生产合成原料、气体或者燃料。这不仅打破了对古生物资源的依赖，而且（至少只要有可再生能源生产的电力）就可以找到与气候变化基本无关的能源储备方式。虽然这一逆过程中使用的方法因最终生成的靶分子不同而有着很大的差异，但却有一个共同点就是它们都需要合适的反应器、膜和催化剂等合适的方法。

由于通常都将CO或者CO2当为碳源，因此在反应中间步骤中常常会用氢生成一种合成气体。这种反应实际上是古老的煤炭液化技术方法，但在Power-to-X环境中却有着全新的吸引力。因为它所涉及的反应过程目前尚未能够用科学的方法加以解释和理解，“这主要涉及在工业化条件下这一过程中所需催化剂结构的变化。在这一反应过程中可能会产生一些破坏催化剂的分子结构的副产品。即使到目前为止，还没有清楚地知道这是何种形式的反应以及对整个反应过程有什么影响。”KIT卡尔斯鲁厄理工学院ITCP化学技术和高分子化学研究所的Jan-Dierk Grunwaldt教授说道。这种反应方法自19世纪20年代问世后在世界各地得到了大规模的使用，现在KIT卡尔斯鲁尔理工学院的科研人员首次利用X射线研究了工业化生产条件下生产合成燃料时反应过程中的催化剂，通过试验获得的知识开发量身定制的“促进剂”。

原子层级的催化剂

集装箱中的化工 厂：KIT卡尔斯鲁尔理工学院的展示设备清楚演示了Power-to-X紧凑的生产过程

“我们与IMVT微过程技术研究所和IKFT催化技术研究所的专家们一起深入研究了这一过程的核心”，IKFT催化技术研究所的Marc-Andrée Serrer先生说：“在试验期间，我们采用了同步加速器研究的方法，也就是X射线吸收光谱法和X射线衍射法，从而第一次能够在流程工业的生产条件下观察原子级的费托合成催化剂的工作情况。虽然过去我们已经利用同步加速器以及用特殊的粒子加速器产生的特别强烈的X射线对催化反应进行了研究，但到目前为止在P2X系统中，在高温和高压作用下的实际环境中的反应仍然是一个无法克服的障碍。”

因此，KIT卡尔斯鲁尔理工学院在催化剂研究室的测量设备处建造了一套全新的可以用高压的同步加速器基础设施。采取这一措施之后，研发团队成功在250 ℃、3 Mpa压力的真实条件下完成了300 h的商用钴镍催化费托合成方式，同时不仅是首次在这种实验条件下得到了能够足够进行分析的碳氢化合物，而且研发人员也在催化剂中发现了使反应气体难以扩散的碳氢化合物的沉积物。“下一步这些试验成果可用于研发专用的催化保护剂，使催化剂免受失活的影响，例如用促进剂改善催化剂的性能。”Grunwaldt先生说。这些全新的、建立在原子层级的催化剂认知将来也可用于计算机模拟，以便能够更快地、更加高效地以及更加节约资源地开发P2X过程的定制催化剂。

从同步加速器到催化剂

首先要有催化剂，因为只有它使Power-to-X成为可能。卡尔斯鲁尔市的初创企业和KIT理工大学的子公司采用甲烷化和费托合成反应技术从CO和H2中生产“绿色”可燃气或者汽油，其特点是采用了可以在温度控制和冷却表面负荷之间实现最佳平衡的汽化冷却微结构反应釜。通过这种方法可以有效地将反应控制和高转化率结合到一起，同时也可以将水作为无毒、易得的温度控制介质。由于每一个单独的微结构反应器模块与普通电磁灶大小差不多，因此可以也在集装箱式、紧凑型设备容器中完成Powerto-X的全部转化过程。催化剂有着很长的工作寿命和很高的选择性，这使得微结构反应系统的效率不低于大型生产基地。而且使用科莱恩研发生产的符合通用工业技术标准的催化剂就可以实现，无需特殊的催化剂。

液化有机氢载体技术的催化剂

Inratec公司和科莱恩公司希望在将来有着更加深入的合作，共同开发生产合成燃料和Powerto-X领域中使用基础化学品的新技术。科莱恩公司拥有催化剂技术专长，Ineratec公司则致力于气体液化技术和反应器模块技术。