第172次-- 科学与技术前沿论坛

主题报告

CO酯化制甲酸甲酯和碳酸二甲酯的纳米催化技术
郭国聪*, 徐忠宁研究员中国科学院福建物质结构研究所

“碳达峰、碳中和”政策决定煤化工将沿着绿色低碳方向发展。煤基CO直接酯化是以CO为起始反应原料合成酯类化学品的绿色低碳技术。中国科学院福建物质结构研究所郭国聪团队率先揭示了CO直接酯化的催化功能基元：原子级分散的单Pd活性中心有利于通过Eley-Rideal机理生成碳酸二甲酯，而双Pd活性中心则有利于通过Langmuir-Hinshelwood机理生成另一种产物草酸二甲酯。由此，进一步提出并形成了CO直接酯化的共性关键技术，成功开发了一种CO直接酯化制甲酸甲酯的绿色低碳技术，研发出高性能、长寿命的纳米催化剂和吨级催化剂制备技术。甲酸甲酯是一种基础化工原料，在农业、医药、汽车领域具有广泛用途，其工业生产技术被国外公司垄断。CO酯化制甲酸甲酯技术克服了国外技术采用均相催化剂对原料纯度要求高、设备腐蚀、生产不连续等问题，成本也降低了30%，有望打破国外技术的垄断地位，成为一种拥有完全自主知识产权的新型绿色低碳化工技术。该技术已完成全流程工艺1000小时单管中试，时空产率大于1400g/(kg.h)、甲酸甲酯选择性大于96%，获得了优于国际优等品指标的甲酸甲酯，通过了中国化工学会组织的科技成果评价，被委员会认为是“达到国际领先水平”的“原创”技术。单管技术获得了2020年度中国化工学会基础研究成果二等奖。CO直接酯化制甲酸甲酯技术已获得10件授权美国和中国专利。该技术经第三方评估价值3600万元并获投资方认可入股，企业投资5400万元，成立福建中科恒申科技发展有限公司。与中石化广州（洛阳）工程有限公司合作，编制了10万吨级成套生产工艺包，获得成套生产技术，具备落地生产条件。同时，我们采用CO直接酯化的绿色低碳技术研发了煤制碳酸二甲酯的高性能材料。
碳酸盐热解源头减排耦合增效http://videozh.cas.cn/masvod/public/2026/01/14/20260114_19bba3eebeb_r36_1200k.mp4
何静教授北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室

碳酸盐是重要的无机矿产资源，在水泥、耐材等建材领域广泛应用。在水泥、耐材炼制过程中，碳酸盐高温分解，得到固相产物氧化物的同时，排放CO2，以水泥行业为例，水泥行业每年CO2直接排放量可高达12-14亿吨。碳中和目标下，过程工业面临第二次工业革命以来最严峻的挑战，传统技术已难以满足碳中和提出的严苛要求，迫切需要打破常规，基于过程工业的核心化学化工原理，发展变革性技术，源头减排。与碳酸盐分解共热，以供氢分子如绿H2对碳酸盐直接加氢还原，原位将碳物种直接转化为CO，则不仅可从源头上根本性解决水泥等重排放工业的碳排放问题，且可创制一条全新的合成气（CO+H2）制造途径，耦合合成气转化制甲醇、航煤等大宗能源化学品，则可形成一条不依赖于石油、煤炭等化石资源的白色碳石产业路径。但受高品质氧化物产品或水泥组分的严苛要求，不能引入其它组分催化剂，因此碳酸盐加氢还原只能是自催化过程，自催化条件下氢分子和碳-氧键活化机理、CO生成机制等是需要重点解决的关键科学问题，面向气固物料双连续反应系统的工业反应器设计及物质与能量优化利用是需要重点关注的技术问题。
多孔分离材料创制及温室气体捕集http://videozh.cas.cn/masvod/public/2026/01/14/20260114_19bba4a1ac3_r36_1200k.mp4
李晋平教授怀柔实验室山西研究院

实现“碳达峰、碳中和”是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，温室气体（CO2、CH4等）的捕集、利用和封存是实现“双碳”目标的重要途径。我国90%以上的煤层气是甲烷浓度低于30%的低浓度煤层气（瓦斯），因利用难度大而直接排放，造成了严重的温室气体排放和低碳能源资源的浪费，实现低浓度甲烷的规模化富集分离选择性低是重要科学和技术难题。此外，CO2捕集、封存与利用（CCUS）是实现“双碳”目标的重要途径，燃煤电厂烟道气是最大的低浓度CO2集中排放源，占CO2排放的40%。低浓度CO2分离捕集成本高、能耗高是CCUS关键科学和技术难题。基于此，低浓度煤层气规模化富集与利用、二氧化碳低成本捕集，在多孔材料研发和碳减排方面做了一些研究工作，并取得了一些重要成果。
面向碳中和的微化工技术http://videozh.cas.cn/masvod/public/2026/01/14/20260114_19bba64e789_r36_1200k.mp4
骆广生教授清华大学化学工程联合国家重点实验室

双碳目标是中国政府向国际社会的庄严承诺，发展绿色低碳产业，推进绿色低碳科技自立自强是国家战略，是中国式现代化的本质要求。化学工业能耗高碳排放量大，绿色低碳化工是国家高质量发展战略的重要组成。化工过程强化可通过介质、工艺、装备、系统集成等创新，大幅降低能耗物耗、提高效率、减少投资，实现安全生产，是化工绿色低碳发展的关键途径。大量化工过程存在设备体积大，放大效应突出的问题，为显著提高过程效率，亟需发展基于外场强化、微型化的强化新技术。微化工技术作为全球工程科学前沿之一和化学工业的变革性技术得到了学术界和产业界的广泛关注，它具有速率快、效率高、高度有序、无级放大、本质安全等特点，已成为实现化工过程绿色安全和高效可控的关键技术。面向双碳战略，微化工技术发展的重点方向在于低（负）碳微化工工艺、微化工设备以及微化工系统的创新，需要的是通过微纳尺度“三传一反”的研究修正已有认知，突破化学合成的限制，拓展化学产品合成的边界，进而实现变革性创新。本报告将主要围绕微化工技术基础理论创新和绿色低碳微化工技术研究进展进行，主要包括微尺度流动、传递和反应规律，典型低碳（负碳）微化工工艺创新等方面的内容。
单原子催化生物基醇/醛的还原胺化http://videozh.cas.cn/masvod/public/2026/01/14/20260114_19bba72b5fd_r36_1200k.mp4
王爱琴研究员中国科学院大连化学物理研究所

生物基醇/醛的还原胺化是生物质高值化利用的重要途径之一。还原胺化反应通常涉及到氢气、氨气以及底物分子的吸附活化，而控制生成伯胺选择性的关键是促进中间产物亚胺分子的加氢，同时抑制亚胺分子之间的缩聚副反应的发生。这就要求催化剂具有适中的加氢能力。单原子催化剂由于孤立的单核金属中心，对氢气的解离活化能力通常弱于相应的纳米催化剂。另一方面，金属单原子与载体或第二金属组分的协同作用将为调变其催化活性/选择性提供丰富的空间。因此，单原子催化剂有望为生物基醛/酮的还原胺化带来新的机遇。本报告将以糠醛分子的还原胺化为例，阐述Ru基单原子催化剂的设计制备、表征以及反应性能。以高温热解法制备Ru1-N-C单原子催化剂，通过控制热解温度可以调变Ru1-Nx的配位微环境，从而对糠醛还原胺化制备糠胺反应表现出最优的活性、选择性和抗CO中毒、抗S中毒、以及抗高温氢气还原的优异稳定性。更有趣的是，当Ru单原子与Co纳米粒子形成Ru1CoNP单原子合金结构时，糠胺可以进一步加氢、脱水环化形成哌啶。而与之形成鲜明对照的是，Ru纳米粒子催化该反应只能形成过度加氢产物四氢糠胺。该单原子合金结构也可以进一步扩展到生物基醇的还原胺化反应，进一步证明了单原子结构在反应选择性控制方面的独特优势。

第172次：碳中和化学化工变革性技术