化工原料是支撐現(xiàn)代工業(yè)體系的基礎(chǔ)物質(zhì)，其合成技術(shù)的進步直接影響能源利用效率、資源可持續(xù)性和環(huán)境友好性。隨著全球碳中和目標的推進，化工原料合成技術(shù)正經(jīng)歷從高碳工藝向綠色低碳方向的革命性轉(zhuǎn)變。

一、核心化工原料合成技術(shù)路徑

（1） 氨（NH?）合成：從哈伯法到綠色氨

傳統(tǒng)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(xiàn)狀：全球年產(chǎn)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(shù)：

綠氫替代：利用可再生能源電解水制氫（SOEC或PEM電解），結(jié)合空氣分離氮氣（Air Separation Unit, ASU），實現(xiàn)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(tǒng)工藝（合成氣轉(zhuǎn)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(zhì)氣化（歐洲）。

綠色甲醇技術(shù)：

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(chǎn)能10萬噸，碳中和認證。

生物甲醇：通過厭氧發(fā)酵生物質(zhì)（如農(nóng)業(yè)廢棄物）產(chǎn)甲烷，再催化重整為甲醇。

（3） 合成氣（CO/H?）合成：多產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)

費托合成（FT合成）：

原理：鈷或鐵基催化劑將合成氣轉(zhuǎn)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(zhàn)：副產(chǎn)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(tǒng)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(yè)化項目，能效較傳統(tǒng)工藝提升30%。

生物基乙烯：利用藻類或纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，再脫水生成乙烯。

二、新興技術(shù)驅(qū)動化工原料合成革新

（1）電化學合成：電力驅(qū)動化學反應

CO?電還原：

原理：在可再生電力驅(qū)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(fā)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(zhì)結(jié)，紫外光下將CO?轉(zhuǎn)化為甲醇（量子效率<1%）。

γ射線輻照：

應用：日本原子能機構(gòu)利用高能射線引發(fā)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(chǎn)化學品：

案例：Amyris公司改造酵母菌株，通過發(fā)酵生產(chǎn)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(zhuǎn)化為乙醇，效率達5 g/L/day。

三、技術(shù)經(jīng)濟性分析

四、SOEC在化工原料合成中的核心應用

（1）綠氫生產(chǎn)（合成氨/甲醇原料）

技術(shù)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(yōu)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(shù)路徑：

SOEC共電解H?O和CO?（H?O + CO? → H? + CO + O?），調(diào)節(jié)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(tǒng)在CO?轉(zhuǎn)化率>70%時，合成氣生產(chǎn)成本降至$2.5/kg

（3）直接電催化合成（乙烯/乙醇）

技術(shù)路徑：

SOEC耦合電催化反應器，高溫下將CO?轉(zhuǎn)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(fā)SOEC-電催化集成系統(tǒng)，乙烯選擇性達65%（600°C）

五、總結(jié)

      化工原料合成技術(shù)正處于綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期。未來十年，通過可再生能源電力驅(qū)動、生物制造技術(shù)突破和碳循環(huán)體系構(gòu)建，化工行業(yè)有望實現(xiàn)從"高碳工藝"向"負碳合成"的跨越。這一轉(zhuǎn)型需要材料科學、反應工程和系統(tǒng)工程的多學科協(xié)同創(chuàng)新，最終建立可持續(xù)發(fā)展的化工生產(chǎn)新模式。

產(chǎn)品展示

      SSC-SOEC80電熱協(xié)同催化劑評價系統(tǒng)是一種結(jié)合電場和熱場協(xié)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(tǒng)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(yōu)化催化劑材料和操作參數(shù)。本SOEC評價系統(tǒng)設(shè)計科學、功能全面，能夠滿足從材料研究到系統(tǒng)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(yōu)化與商業(yè)化應用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

      光電熱多場耦合的催化在環(huán)境治理（如高效降解污染物）、能源轉(zhuǎn)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(fā)能，電幫助電子傳遞，熱促進反應物活化，三者結(jié)合可能提高產(chǎn)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(xié)同催化的前沿方向，未來將在綠色化學和碳中和領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

SOEC系統(tǒng)優(yōu)勢：

1)  研究電熱協(xié)同作用對SOEC電解效率的影響，優(yōu)化催化劑材料和操作參數(shù)（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(wěn)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(xié)同調(diào)控、多尺度表征及長期穩(wěn)定性測試，系統(tǒng)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(tài)行為。

7) “熱-電協(xié)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(jù)。