化工原料合成技術：從傳統工藝到綠色創新

   化工原料是支撐現代工業體系的基礎物質，其合成技術的進步直接影響能源利用效率、資源可持續性和環境友好性。隨著全球碳中和目標的推進，化工原料合成技術正經歷從高碳工藝向綠色低碳方向的革命性轉變。

一、核心化工原料合成技術路徑

（1） 氨（NH?）合成：從哈伯法到綠色氨

傳統工藝（哈伯法）：

原理：在高溫高壓（400–500°C，15–25 MPa）下，氮氣與氫氣在鐵基催化劑作用下生成氨。

現狀：全球年產量超1.5億噸，但能耗占全球能源的1–2%，碳排放占1.5%。

綠色氨技術：

綠氫替代：利用可再生能源電解水制氫（SOEC或PEM電解），結合空氣分離氮氣（Air Separation Unit, ASU），實現全流程零碳排放。

案例：挪威Yara公司試點項目，采用海上風電制氫合成綠氨，碳排放減少90%。

電化學合成：無催化劑直接電化學還原N?為NH?（如納米多孔Fe、Ru基電極），但電流效率仍低于10%。

（2）甲醇（CH?OH）合成：碳資源高效利用

傳統工藝（合成氣轉化）：

原理：一氧化碳（CO）與氫氣（H?）在銅基催化劑下反應生成甲醇（CO + 2H? → CH?OH）。

原料來源：煤制合成氣（中國主導）、天然氣制合成氣（中東）、生物質氣化（歐洲）。

綠色甲醇技術：

綠氫+CO?捕集：利用可再生能源制氫與直接空氣捕集（DAC）的CO?合成甲醇（CO? + 3H? → CH?OH + H?O）。

案例：丹麥Green Methanol項目，年產能10萬噸，碳中和認證。

生物甲醇：通過厭氧發酵生物質（如農業廢棄物）產甲烷，再催化重整為甲醇。

（3） 合成氣（CO/H?）合成：多產品聯產

費托合成（FT合成）：

原理：鈷或鐵基催化劑將合成氣轉化為長鏈烴（如柴油、蠟）。

應用：煤制油（南非Sasol）、天然氣制油（卡塔爾Oryx）。

甲醇制烯烴（MTO）：

原理：以ZSM-5沸石為催化劑，甲醇脫水生成乙烯、丙烯。

挑戰：副產物多，催化劑易失活。

4. 烯烴（乙烯、丙烯）合成：低碳路徑突破

傳統蒸汽裂解：

原理：乙烷/丙烷在800–900°C高溫下裂解生成烯烴，能耗高且依賴化石原料。

電催化脫氫：

原理：在電解槽中，乙烷在高溫（500–600°C）下直接脫氫生成乙烯（C?H? → C?H? + H?）。

案例：美國Siluria公司商業化項目，能效較傳統工藝提升30%。

生物基乙烯：利用藻類或纖維素發酵生產乙醇，再脫水生成乙烯。

二、新興技術驅動化工原料合成革新

（1）電化學合成：電力驅動化學反應

CO?電還原：

原理：在可再生電力驅動下，將CO?還原為甲酸、乙烯等高附加值化學品。

催化劑：銅基納米材料（選擇性生成乙烯）、鉍基材料（生成甲酸）。

氮氣電還原：

進展：MIT團隊開發Li-N?電池體系，直接電解N?生成NH?，法拉第效率達50%。

（2）光催化與輻射催化

光催化CO?還原：

材料：TiO?/g-C?N?異質結，紫外光下將CO?轉化為甲醇（量子效率<1%）。

γ射線輻照：

應用：日本原子能機構利用高能射線引發CO?與H?O反應生成甲烷，能量利用率待提升。

（3）生物合成：代謝工程與合成生物學

酵母工程生產化學品：

案例：Amyris公司改造酵母菌株，通過發酵生產法尼烯（航空燃料前體）。

藍藻光合固碳制乙醇：

原理：藍藻利用光能將CO?轉化為乙醇，效率達5 g/L/day。

三、技術經濟性分析

四、SOEC在化工原料合成中的核心應用

（1）綠氫生產（合成氨/甲醇原料）

技術路徑：

SOEC電解水制氫（2H?O → 2H? + O?），氫氣用于：合成氨：N? + 3H? → 2NH?

甲醇合成：CO? + 3H? → CH?OH

優勢：相比PEM/堿性電解，SOEC能耗降低30%（利用高溫熱降低電能需求）

丹麥Topsoe公司示范項目顯示，SOEC制氫合成氨的綜合效率達85%

（2）CO?電解制合成氣（費托合成原料）

技術路徑：

SOEC共電解H?O和CO?（H?O + CO? → H? + CO + O?），調節H?/CO比例（通常1:1~2:1）用于：費托合成：nCO + (2n+1)H? → C?H???? + nH?O

甲醇合成：CO + 2H? → CH?OH

案例：德國Sunfire的SOEC系統在CO?轉化率>70%時，合成氣生產成本降至$2.5/kg

（3）直接電催化合成（乙烯/乙醇）

技術路徑：

SOEC耦合電催化反應器，高溫下將CO?轉化為高值化學品：

乙烯合成：2CO? + 6H? → C?H? + 4H?O（Cu基催化劑）

乙醇合成：CO? + 3H? → C?H?OH + H?O（Rh-Sn催化劑）

突破：中科院團隊開發SOEC-電催化集成系統，乙烯選擇性達65%（600°C）

五、總結

      化工原料合成技術正處于綠色轉型的關鍵期。未來十年，通過可再生能源電力驅動、生物制造技術突破和碳循環體系構建，化工行業有望實現從"高碳工藝"向"負碳合成"的跨越。這一轉型需要材料科學、反應工程和系統工程的多學科協同創新，最終建立可持續發展的化工生產新模式。

產品展示

      SSC-SOEC80電熱協同催化劑評價系統是一種結合電場和熱場協同作用的固體氧化物電解池（SOEC）實驗平臺，用于高效電解H?O/CO?制取H?/CO，是SOFC的逆向反應。該系統通過精確控制溫度、電壓和氣體組成，研究電熱耦合效應對電解性能的影響，并優化催化劑材料和操作參數。本SOEC評價系統設計科學、功能全面，能夠滿足從材料研究到系統集成的多種測試需求。通過高精度控制和多功能測試模塊，可為SOEC的性能優化與商業化應用提供可靠的數據支持。

      光電熱多場耦合的催化在環境治理（如高效降解污染物）、能源轉換（如CO2還原、水分解）和化工合成中有潛力。例如，在CO2還原中，光提供激發能，電幫助電子傳遞，熱促進反應物活化，三者結合可能提高產物選擇性和反應速率；光熱耦合電合成氨。光電熱催化代表了多能量場協同催化的前沿方向，未來將在綠色化學和碳中和領域發揮重要作用。

SOEC系統優勢：

1)  研究電熱協同作用對SOEC電解效率的影響，優化催化劑材料和操作參數（溫度、電壓）。

2) 比較不同催化劑（如Ni-YSZ與摻雜Ce/Co的催化劑）在電解H?O/CO?中的性能。

3)  探究溫度（600–800°C）和電壓（0.5–2V）對電流密度、法拉第效率及穩定性的影響。

4) 分析電化學阻抗譜（EIS）以揭示反應動力學機制。

5) 通過溫度-電壓協同調控、多尺度表征及長期穩定性測試，系統揭示電熱催化在SOEC中的作用機制。

6)引入原位高溫拉曼光譜，實時追蹤催化劑動態行為。

7) “熱-電協同因子"量化電熱耦合效應強度。

8) 為高效電解CO?制合成氣（H?/CO）或綠氫提供實驗與理論依據。