日本產業(yè)技術綜合研究所 (AIST)的研究團隊與東曹株式會社
(Tosoh)合作開發(fā)了一種在常壓、低濃度下由二氧化碳（CO2）合成碳酸二乙酯的催化反應。碳酸二乙酯用作聚碳酸酯和聚氨酯的原料、電解質、涂料等。
在以往利用硅化合物的碳酸二乙酯合成過程中，需要使用高純度的CO2并加壓到數(shù)兆帕，才能實現(xiàn)足夠的收率。因此，為了獲得高壓、高純度的CO2，對火力發(fā)電站和其他來源排放的低濃度CO2進行分離、純化和壓縮的過程需要成本和能源。而在新的研究中，通過使用乙醇和有機強堿化學吸附CO2形成碳酸二乙酯的反應，這允許在常壓下吸附廢氣中包含的體積比為約15%的CO2。
該方法僅通過向反應溶液中通入廢氣（包含體積比15%的CO2），可以確保反應所需的CO2，這在常規(guī)方法中是難以實現(xiàn)的，并且達到了與常規(guī)方法相同的收率。這簡化了分離低濃度CO2的純化和壓縮過程，降低了成本和能源消耗。此外，CO2無需加壓設備即可轉化為資源，為實現(xiàn)碳中和社會做出貢獻。
研發(fā)的背景
為了解決全球變暖問題并擺脫化石資源，正在強調開發(fā)碳回收技術，將CO2轉化為有用的化學物質作為資源。日本經濟產業(yè)省的《碳回收路線圖》列舉了聚碳酸酯等化學品生產中CO2的用途。為了實現(xiàn)到2050年日本CO2回收量最大化（約1~2億噸）的目標，有必要開發(fā)從CO2合成碳酸二乙酯的技術。
據報道，使用高壓、高純度的CO2是一種從CO2合成碳酸二乙酯的技術。然而，為了從發(fā)電站和工廠的廢氣中獲得高壓、高純度的CO2，需要分離和純化成本。此外，迄今為止報道的合成方法在常壓下的產率顯著下降。然而，使用低濃度CO2直接合成碳酸二乙酯在技術上極其困難，因此迄今為止尚未有成功案例的報道。
研究歷程
日本產業(yè)技術綜合研究所 (AIST)和東曹的目標是采用對環(huán)境影響較小的方法，以CO2為原料合成和制造作為聚碳酸酯、聚氨酯等原料的碳酸二乙酯。
到目前為止，研究團隊已經開發(fā)出一種使用高壓、高濃度CO2和可再生的硅化合物——四乙氧基硅烷 (Si(OEt) 4)
的合成方法（2020年11月）。此外，研究團隊還開發(fā)了一種利用CO2化學吸附作為在常壓和低濃度反應中直接利用CO2的尿素衍生物合成方法（2021年5）
在新的研究中，研究團隊利用CO2在乙醇與有機強堿之間的化學吸附反應，與尿素衍生物合成法相似，開發(fā)了一種以常壓、低濃度CO2為原料，以四乙氧基硅烷為原料的碳酸二乙酯合成方法。
研究概要
日本產業(yè)技術綜合研究所
(AIST)和東曹通過使用乙醇和有機強堿對CO2進行化學吸收，并采用最佳催化劑，開發(fā)了一種以常壓低濃度CO2和對環(huán)境影響較小的硅化合物——四乙氧基硅烷為原料的碳酸二乙酯合成方法。
在使用對環(huán)境影響較小的硅化合物的常規(guī)碳酸二乙酯合成中，需要在超過正常壓力20倍的高壓下加入高濃度的CO2。隨后，反應容器中充分充滿CO2，并繼續(xù)進行生成反應。另一方面，當使用常壓和低濃度的CO2時，不可能在反應容器中確保足夠量的CO2。因此，研究團隊重點研究了涉及乙醇和有機強堿的CO2化學吸附反應。該化學吸附反應通過將含有CO2的氣體通入乙醇和有機強堿的混合溶液來合成碳酸乙酯。通過利用該CO2吸附反應，即使使用由體積比分別為15％和85％的CO2和氮氣組成的混合氣體，也能夠吸附相當于所使用的有機強堿量摩爾比約60%的CO2。
接下來，研究團隊尋找該丹櫻過程的最佳催化劑，發(fā)現(xiàn)氧化鈰（CeO2）是數(shù)十種催化劑中的最佳催化劑。此外，還揭示了有機強堿的類型對碳酸二乙酯的收率有顯著影響。研究團隊推測這是因為氧化鈰表面存在的生成碳酸二乙酯的活性位點被有機強堿鍵覆蓋。
最后，研究團隊研究了使用各種有機強堿合成碳酸二乙酯的方法，并成功找到了一種不會導致催化劑被覆蓋、使反應順利進行的特定有機強堿。結果，當使用體積比為15%的低濃度CO2氣體時，吸附的CO2中大約49%約有49%可以轉化為碳酸二乙酯。另外，假設燃煤發(fā)電站廢氣中含有15%
CO2和雜質的模擬廢氣（CO2濃度15%、CO濃度300ppm、SO2和NO2濃度各500ppm，其他：氮氣），基于吸附的CO2
，實現(xiàn)了45%的碳酸二乙酯產率。從CO2 吸附到碳酸二乙酯合成的一系列過程，可以在同一反應容器中進行。
未來計劃
未來，研究團隊將改進反應條件、催化劑和反應設備，旨在建立低成本、節(jié)能的制造方法。研究團隊將努力解決必要的技術問題，包括考慮擴大規(guī)模，以期在2030年左右實現(xiàn)商業(yè)化。
