為新能源配備增綠技術

多相催化制碳酸乙烯酯技術，有助于推動鋰電池電解液溶劑生產綠色化和“雙碳”目標的早日實現。

這項技術，成功入選中國科協發布的2023年“科創中國”先導技術榜（綠色低碳領域）。

這項技術，用于車用鋰電池不可或缺的電解液溶劑——高純電子級碳酸乙烯酯。

這項技術，使中國石化成為全球多相催化制碳酸乙烯酯唯一專利供應商。

“二氧化碳多相催化制電子級碳酸乙烯酯技術”入選，主要有三方面的原因。”該技術團隊負責人、中石化（上海）石油化工研究院有限公司（簡稱上海石油化工研究院）首席專家何文軍表示：以二氧化碳作為合成新能源動力鋰電池用綠色有機溶劑碳酸乙烯酯的主要原料，可以將煉化上游排放的二氧化碳全部回收轉化，減少了碳足跡，提供了二氧化碳高值化利用的新途徑；契合了我國大力發展新能源電動汽車從而達到減排的目的，每噸碳酸乙烯酯產品利用二氧化碳500公斤，有助于提前達成“雙碳”目標；創制的多相催化劑不含對環境有害成分，日常生產無“三廢”排放，是名副其實的綠色低碳技術。

定方向 攻難關

中國石油石化：何專家，您好！多相催化技術這一攻關方向是如何確定的？

何文軍：在我們選擇攻關方向的時候，商業化技術都是采用均相催化劑的。這時，擺在我們面前的選擇是：是繼續改進均相工藝，還是革命性地開發多相工藝？這個問題困擾了技術團隊許久。最終，我們選定了多相催化關鍵難點作為突破口，完美解決了多相催化劑的活性和穩定性問題。

中國石油石化：在研發過程中，團隊遇到了哪些難點？是如何攻克的？

何文軍：我們認真分析文獻案例，采用分子模擬與實驗驗證相結合的手段，根據合成碳酸乙烯酯反應的特點與有機多相催化劑的活性位及骨架結構特征，開發了有機交聯網絡結構調控技術，用“打鉚釘”的方式穩定催化劑骨架，以化學鍵合的方式穩定活性中心。經過無數次失敗，我們最終掌握了內在規律，攻克了二氧化碳活化與有機骨架穩定性的難題。此項規律普遍適用于類似催化體系的開發，為合成碳酸丙（丁）烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等實現多相催化提供了可行方案。

二氧化碳與環氧乙烷反應生成碳酸乙烯酯是一個強放熱反應，從反應系統中移除反應熱是個難度很大的挑戰。只有解決快速移熱才能確保催化劑長周期穩定高效運行。我們通過流體力學計算，優化設計了三維高通量流體均布內構件，利用產物通過外循環移出反應熱，并將反應熱通過流程模擬軟件構建分布式利用網絡，最終解決了反應器均溫問題。

二氧化碳本身是一種較為惰性的氣體分子，為實現其活化反應，需要性能優異的催化活性位點。技術團隊一直專注于新材料的開發，從材料基體和活性中心等多方面進行了計算、設計、合成、驗證，無需打斷碳氧鍵，避免了巨大的能耗。通過催化劑與二氧化碳構建中間體，利用高含能的環氧乙烷與之反應，高選擇性獲得了目標產品碳酸乙烯酯。

優勢強 含綠高

中國石油石化：相比均相催化，這項技術采用的多相催化具有哪些技術優勢？

何文軍：與均相催化相比，多相催化的顯著優勢是催化劑不溶于產品，不像均相催化劑需從產品中完全分離出來。其無需分離設備、工藝管線、控制儀表等，流程精簡。均相催化工藝在生產過程中，任何一個反應都會或多或少地產生一些重組分，從產品中分離出來的催化劑需要移除這些重組分，才不至于影響循環使用性能。為避免重組分在系統重累積，在生產過程中則需要不斷地更新部分催化劑，一方面額外增加了均相催化劑的非必要損耗，另一方面排出的均相催化劑與重組分的混合物作為液體或固體危廢需要專門處理。多相催化劑在使用過程中限域在反應器中，從本質上解決了均相催化劑存在的上述問題。對碳酸乙烯酯生產來說，多相催化除了生產過程無“液固廢”排放、流程精簡之外，還具有反應條件溫和、單耗低、安全性高、產品質量好等優勢。多相催化劑為有機聚合物材質，不含金屬元素，廢催化劑處理簡單環保。

中國石油石化：這項技術的創新點主要有哪些？

何文軍：此項技術創新點突出，也是我們開發多相催化技術的初衷。一是發明了有機交聯網絡結構調控技術，創制了高穩定性、高活性的有機多相催化劑，環境友好，使用過程避免了傳統均相技術的日常“液固廢”排放。二是開發了適用于新型多相催化劑的反應器，反應條件溫和、安全性高、噸產品單耗非常低、產品品質達到了電子級超純級。三是首創低溫熱分布式利用成套工藝，電子級產品產出率高、噸產品蒸汽消耗創新低，工業裝置可長周期穩定運行、運行成本低。該技術獲得授權的中國發明專利48件，國際專利3件。

中國石油石化：電子級碳酸乙烯酯產品的指標是否非常苛刻？團隊是如何努力達到這些指標的？

何文軍：電子級碳酸乙烯酯指標（HG/T 5391—2018）有合格級和超純級兩個等級，電子級超純級指標非常苛刻。我們得到了國內合作伙伴及下游用戶的幫助，通過不斷改進多相催化劑，盡可能避免了影響鋰電池性能雜質的產生，反應器出口碳酸乙烯酯的純度達到99.9%以上，減輕了后續精制的負荷，確保了電子級、超純級產品的產出率。工業應用需要上下游聯動攻關，悶在實驗室再用心開發也難走出實驗室。感謝合作伙伴，在我們走向成功時助了關鍵的一臂之力。

萬噸級 獲成功

中國石油石化：我們在該技術工程放大過程中做了哪些努力？取得了怎樣的成果？

何文軍：多相催化工藝技術在催化劑、反應器等方面都是新探索，可供借鑒的成熟經驗較少。因此，我們在工程放大過程中遇到了不少困難。上海石油化工研究院組建了多學科研究團隊，集思廣益、合作求證。我們從小試開始定型催化劑、解決催化劑工業規模擴試中的重復性問題，到模試建立三維高通量內構件解決反應器流體均布問題，再到在千噸級中試中驗證反應器控制方案及高效移熱工藝的可行性，單是解決產品質量的穩定性就付出了巨大的努力。最后，在萬噸級工業示范中驗證了裝置長周期穩定運行的經濟性，催化劑有效限域在反應器中不流失，實現了真正意義上的多相催化。

中國石油石化：目前，這項技術在實際應用領域的應用情況如何？

何文軍：二氧化碳多相催化制電子級碳酸乙烯酯這一綠色低碳創新技術完成了碳酸乙烯酯產品自身生產技術的升級，實現了對均相技術的替代。目前，以技術授權方式建成了工業生產裝置3套：東營2萬噸、泉州12萬噸和武漢6萬噸均穩定運行，生產電子級超純級產品，持續供貨于下游鋰電池電解液廠家，為應用企業帶來了良好的經濟和社會效益。同時，我們對該技術進行了進一步延伸，開發了一系列多相催化制電子級碳酸酯如碳酸二甲酯、碳酸丙（丁）烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯技術。這些技術有望取代目前能耗和物耗高、固廢排放大的均相技術，推動鋰電池電解液溶劑生產的綠色化，支撐鋰電池產業鏈零碳足跡的早日實現。

責任編輯：石杏茹