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國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）會(huì)刊《Chemistry International》刊登了2023年度IUPAC化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)，其中五項(xiàng)來自能源化工領(lǐng)域。
光催化制氫
綠氫規(guī)模化利用有望實(shí)現(xiàn)全球每年減排二氧化碳7億噸。當(dāng)前，99%的氫氣仍來自化石燃料，迫切需要研發(fā)低成本、可持續(xù)的制氫方案。目前綠氫生產(chǎn)主要來自可再生能源發(fā)電、電解水制氫，制氫效率可以達(dá)到30%。
光催化制氫是一項(xiàng)備受關(guān)注的綠氫生產(chǎn)技術(shù)，是全球各國(guó)競(jìng)相投入研發(fā)力量的技術(shù)領(lǐng)域。該技術(shù)仍處于早期階段，雖然各國(guó)的光催化制氫效率僅為8%~15%左右，但其更重要的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性、可擴(kuò)展性、耐久性和實(shí)用性。該領(lǐng)域發(fā)表論文和申請(qǐng)專利數(shù)量正呈指數(shù)增長(zhǎng)，顯示了其蓬勃發(fā)展的姿態(tài)。
該技術(shù)未來的主要進(jìn)步方向包括：其一，改善催化劑的帶狀結(jié)構(gòu)、縮小帶隙，減少對(duì)特定波長(zhǎng)的依賴，提高更寬波長(zhǎng)范圍的光譜的響應(yīng)能力，從而最大限度地利用太陽能并提高氫氣產(chǎn)量；其二，開發(fā)更安全的氫氣分離系統(tǒng)，以減少爆炸風(fēng)險(xiǎn)；其三，與膜技術(shù)以及金屬有機(jī)框架化合物（MOFs）、水凝膠等技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)浮式氫氣生產(chǎn)平臺(tái)（包括海水直接催化制氫），形成可持續(xù)氫源；其四，與生物工程技術(shù)相結(jié)合，采用微生物基因和代謝工程以及酶的定向進(jìn)化等技術(shù)，有望打開一扇以生物質(zhì)、沼氣和廢水為原料的可擴(kuò)展、低成本、商業(yè)化制綠氫的大門。
氯化物介導(dǎo)的海洋二氧化碳去除
海洋是溫室氣體的巨大緩沖區(qū)，吸收了全球1/4的二氧化碳以及90%以上由溫室氣體排放導(dǎo)致的多余熱量，可有力阻擋氣候危機(jī)的大部分后果。利用電化學(xué)方法捕集海水中的二氧化碳并實(shí)現(xiàn)化學(xué)利用已成為一種有吸引力的負(fù)排放選擇。
目前，大多數(shù)電化學(xué)二氧化碳去除系統(tǒng)都依賴雙極膜電滲析技術(shù)（BPMED），主要思路是將海水的pH從8.1左右調(diào)整到7以下，以確保從碳酸鹽和碳酸氫鹽中溶解的無機(jī)碳（DIC）轉(zhuǎn)化為二氧化碳，進(jìn)一步在真空下分離。這項(xiàng)技術(shù)面臨兩大挑戰(zhàn)，一是成本高，二是可能導(dǎo)致海洋進(jìn)一步污染。
該技術(shù)的具體過程是：采用鉍電極和銀電極的不對(duì)稱電化學(xué)系統(tǒng)，在施加適當(dāng)?shù)碾姵仉妷汉螅撓到y(tǒng)通過法拉第反應(yīng)捕獲和釋放氯離子。兩個(gè)電極之間的反應(yīng)化學(xué)計(jì)量學(xué)差異使電化學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)以氯離子為媒介的電化學(xué)pH值擺動(dòng)，從而無需昂貴的雙極膜就能有效去除海水中的二氧化碳。兩個(gè)銀—鉍系統(tǒng)在一個(gè)循環(huán)過程中串聯(lián)運(yùn)行。一個(gè)系統(tǒng)酸化海水，另一個(gè)系統(tǒng)通過堿化處理流再生電極，最終實(shí)現(xiàn)以122千焦/摩爾的較低能耗和較高電子效率從模擬海水中連續(xù)去除二氧化碳，二氧化碳捕集成本僅為56美元/噸，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又易于工程放大。
合成電化學(xué)
自19 世紀(jì)初電池問世以來，電化學(xué)一直被看作化學(xué)轉(zhuǎn)化的強(qiáng)大工具。伏特和法拉第等科學(xué)家的重大成就、20世紀(jì)循環(huán)伏安法的發(fā)現(xiàn)，不斷推動(dòng)電化學(xué)技術(shù)發(fā)展。
近年來，隨著綠電成本大幅下降以及多種交叉學(xué)科的繁榮發(fā)展，特別是信息技術(shù)的進(jìn)步，很多以前被視為“黑箱”過程的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理正在一步步被闡明，合成電化學(xué)領(lǐng)域正處在新的加速發(fā)展階段，表現(xiàn)出更高水平的化學(xué)和區(qū)域選擇性，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)醚的合成、碳?xì)滏I的氧化和氟化以及Birch還原反應(yīng)等。合成電化學(xué)的安全性、可靠性、原子經(jīng)濟(jì)性和低能耗吸引了全球越來越多的研發(fā)力量。2023年，研究人員報(bào)告了一項(xiàng)新突破——創(chuàng)新性地使用交流電，可在其他氧化還原活性基團(tuán)存在時(shí)，也實(shí)現(xiàn)選擇性還原羰基。
目前，已有多家化工巨頭開始采用電化學(xué)合成技術(shù)來提高生產(chǎn)工藝水平、減少產(chǎn)品碳足跡。BASF利用電化學(xué)合成方法生產(chǎn)了30 多萬噸對(duì)甲苯二酚和3.5萬噸對(duì)甲氧基甲苯。3M、拜耳、莊信萬豐、羅氏和山德士等公司也開始用合成電化學(xué)方法生產(chǎn)多種化學(xué)品及其中間體。
生物降解PET
2018 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果——酶的定向進(jìn)化技術(shù)正在逐步走向應(yīng)用，目前最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是將聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）水解為單體，并具有極高的產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。PET的傳統(tǒng)循環(huán)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致其機(jī)械性能逐漸降低，而利用酶定向進(jìn)化技術(shù)生產(chǎn)出的PET具有與石化PET相同的特性。
該技術(shù)的商業(yè)化近在咫尺。法國(guó)綠色化學(xué)公司Carbios已開始投資建廠，計(jì)劃于2025年投運(yùn)，PET回收降解規(guī)模為5萬噸/年，相當(dāng)于每年20億個(gè)PET瓶。
聚合物的解聚
將聚合物解聚為更小分子、更易于回收的片段（而不是單體），可有力促進(jìn)塑料循環(huán)經(jīng)濟(jì)，助力塑料價(jià)值鏈實(shí)現(xiàn)碳中和。解聚技術(shù)的研發(fā)要點(diǎn)包括：分子的合理設(shè)計(jì)，減少或去除聚合物攜帶的添加劑影響，以及利用分子建模等新技術(shù)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的污染問題、降解副作用以及回收反應(yīng)的可行性。解聚技術(shù)已經(jīng)取得一些突破性的應(yīng)用，例如微波輔助解聚技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)聚二酮烯胺的解聚。
