Carbon2Chem：炼钢废气转为化工产品
作为工业领域第一大碳排放来源，钢铁行业的节能减排是全球实现减排目标的重要一步。目前，钢铁行业的二氧化碳排放量约占全球二氧化碳总排放量的8％。钢铁行业要实现绿色转型，在持续节能及提升能效之余，更需要开发突破性的低碳技术。
为此，包括蒂森克虏伯、赢创在内来自钢铁、化工和能源行业的近20家公司以及多家学术研究机构共同设立了Carbon2Chem项目，旨在将炼钢废气转化为化学品。这一项目的目标非常明确：炼钢废气的回收效率越高，二氧化碳排放量和生产所需的化石原料量就越少。
成熟技术，全新挑战
综合钢厂在生产过程中会产生大量的混合废气，包含二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、一氧化碳（CO）以及少量的氢气，称之为炼钢废气。处理这些废气的常规方法是将其燃烧或转化为热能/电能再用于炼钢，但这样会排放更多的二氧化碳。
与此同时，对于化工行业来说，一氧化碳、二氧化碳和氢气的气体混合物，即“合成气”，却是一些化工产品如甲醇的重要原料。在Carbon2Chem项目中，研究人员面临的一项基本挑战是开发处理炼钢废气的工艺，并将这一工艺整合到钢铁生产中收集合成气。
在Carbon2Chem的一个子项目中，赢创正在研发一种开创性的催化剂技术，将炼钢废气中的氢气和一氧化碳转化为高级醇。此外，项目团队还在探索直接还原二氧化碳的方法。
化工行业的转型推动了这一研究的发展：以可持续、碳中和的原料替代化石原料将改变化工行业现有的物料流。高级醇可在新的价值链中发挥关键作用。然而，目前行业仍不具备相应的具有成本效益的生产工艺。而这正是赢创研究人员发挥专长的地方：定制催化剂可以直接将炼钢废气和二氧化碳转化为化工产品，从而打通这一可持续的价值链。
催化剂可以减少触发化学反应所需的能量，从而加快反应速度，提高效率。在有些时候，它是化学反应的前提，这就是催化剂的神奇之处。比如，二氧化碳和氢分子永远不会自动结合在一起，形成更大的分子，而催化剂可以让它们发生反应。
一种可能：铜钴基催化剂
近年来，赢创已经开发出了一些有潜力的催化剂。比如，钴盐可被用作制备催化剂的原料。对于此类催化剂，过往的情况都会将钴和铜以某种方式结合，嵌入碳基质中。
为了利用一氧化碳等分子合成高级醇，催化剂必须引发一系列截然不同的反应步骤。为此，催化剂表面需要形成各种活性中心。由单一物质组成的同质材料是不够的，因此项目团队正在尝试以铜钴组合作为催化剂。
这一思路参考了一些类似的技术，比如，钴基催化剂用于费托法将合成气转化为长链烃的过程中，铜基催化剂用于甲醇合成工艺。在合成高级醇的过程中，研究人员正在尝试将这两种成熟的工艺结合在一起，使反应最初形成的烃链在反应结束时仍含有醇基（-OH）。
结合使用钴和铜的构想仅仅是设计具体工艺的开始，之后涉及的问题还包括这两种元素的最佳比例以及工艺中所需的最佳化学结构——是以金属态还是以氧化态形式，是以单个粒子分开形式存在，还是以混合相存在。此外，研究人员发现，微量的锰有助于催化反应，但还需要后续研究来确定锰在催化剂中的最佳位置，以及锰的最佳使用比例。
在此之前，赢创已对40多种催化剂进行了初期实验，结果表明，利用合成气生产高级醇这项工艺是完全可能的。最新一代的催化剂可使高级醇产出比例超过50％。然而，在目前阶段，该工艺会产生过多有害的副产物，尤其是甲烷和短链烷烃。
接下来的研究重点将聚焦如何提高催化剂选择性。研究人员希望优化工艺不仅可以增加高级醇的产量，还希望能够更有效地控制产生的分子链的长度。目前，这一工艺已经可以产出从乙醇（含两个碳原子）到己醇（含六个碳原子）等不同醇类。该技术的发展方向是能够精确控制链长。不同分子链长的醇类可满足不同的市场需求，比如，特种化学品生产商尤其需要长链醇，短链醇（例如乙醇和丙醇）可用于生产合成燃料，而单体可用于生产聚烯烃。赢创希望在未来搭建一个催化剂平台，提供一系列定制催化剂，从而满足不同客户的需求。
将二氧化碳纳入反应过程
在持续优化催化剂的同时，研究人员还在着手应对另一个主题：将二氧化碳纳入反应。目前为止，实验使用的合成气不含二氧化碳，但是二氧化碳是炼钢废气的主要成分。赢创的研究人员正在尝试设计一种催化剂，将二氧化碳纳入合成过程。一旦实验取得成功，这就意味着未来我们也有可能将含二氧化碳的气体混合物作为工艺原料。
赢创的最终目标是实现物质循环的闭合，而高级醇项目开发的这一工艺未来可能有助于实现这一目标。比如，赢创正在开发一种合成气回收技术。一旦开发成功，未来沼气池的废气也可作为原料来源。
在未来，如果塑料在厌氧和高温高压条件下分解可达到工业化水平，那么塑料废弃物产生的混合气体也可作为原料。对于处理无法采用机械回收的塑料而言，这将颇具潜力。比如，含有塑料聚乙烯或聚丙烯的废弃物产量巨大，然而现在却很少被化学回收。原则上，这两类聚合物都可以由两种高级醇（即乙醇或丙醇）制成。在该工艺中，醇首先转化为乙烯和丙烯——这些物质以前是从石油中提取的。乙烯和丙烯随后可用于制造新的聚合物，进而制造新的塑料产品，物质循环将就此闭合。