Электрифицированный углеводород

Nature Communications, том 14, номер статьи: 1954 (2023) Цитировать эту статью

4815 Доступов

1 Цитаты

16 Альтметрика

Подробности о метриках

Химическое производство входит в число крупнейших источников выбросов парниковых газов. Более половины связанных с этим выбросов приходится на сумму аммиака плюс оксигенатов, таких как метанол, этиленгликоль и терефталевая кислота. Здесь мы исследуем влияние электролизерных систем, которые сочетают анодное преобразование углеводорода в оксигенат с электрическим приводом с катодной реакцией выделения H2 из воды. Мы обнаружили, что как только будет разработана анодная конверсия углеводородов в оксигенаты с высокой селективностью, выбросы парниковых газов, связанные с производством NH3 и оксигенатов на основе ископаемого топлива, могут быть сокращены до 88%. Мы сообщаем, что низкоуглеродная электроэнергия не является обязательной для обеспечения чистого сокращения выбросов парниковых газов: выбросы мировой химической промышленности могут быть сокращены на 39%, даже если электричество, имеющее углеродный след на МВт-ч, доступно сегодня в Соединенных Штатах или Китае. В заключение мы приведем соображения и рекомендации для исследователей, желающих приступить к этому направлению исследований.

Химическое производство входит в число крупнейших источников выбросов парниковых газов (ПГ): на его долю приходится 18% мировых промышленных выбросов1. Из этих выбросов химических веществ 85% возникают из-за большого потребления энергии и сырья, основанных на ископаемом топливе, а 15% представляют собой прямые выбросы из-за несовершенной селективности современных термохимических методов производства: значительная часть углеводородного сырья окисляется все время. путь к диоксиду углерода (CO2) вместо желаемого частично окисленного продукта2. Таким образом, чтобы стать полностью углеродно-нейтральным, недостаточно просто переключить источник энергии с ископаемого топлива на возобновляемую энергию: сегодняшние процессы должны быть заменены альтернативами, которые не окисляют углеводороды до CO2.

Учитывая все химические вещества, более 50% выбросов парниковых газов приходится на сумму аммиака (NH3) плюс оксигенатов, таких как метанол, оксид этилена, этиленгликоль, оксид пропилена, фенол и терефталевая кислота, которые содержат кислород в составе своих химических веществ. структура2. Таким образом, целенаправленные исследования новых процессов производства этих химикатов могут оказать существенное влияние на сокращение чистых выбросов парниковых газов.

Производство оксигенатов путем частичного окисления углеводородов, таких как этилен, пропилен и п-ксилол, важно для пластмассовой и текстильной промышленности. Эти процессы обычно происходят при высоких температурах и давлениях, чтобы активировать инертные углеводороды для функционализации. Из-за экзотермической природы этих реакций также требуется интенсивное охлаждение для подавления температурного неконтроля и минимизации полного окисления углеводородов до CO2, что ограничивает селективность целевых оксигенатов; например, только около 80% этилена будет включено в конечный продукт — оксид этилена, а оставшаяся часть преобразуется в прямые выбросы CO2 (рис. 1А)3.

Концептуальная схема термокаталитического процесса превращения углеводородов в оксигенаты (подробно современные процессы можно найти на рис. S1–6), а также производства H2 посредством реакций риформинга метана и реакций конверсии водяного газа. Красные стрелки указывают источники прямых выбросов на рис. 1В. B Ежегодные сквозные выбросы парниковых газов химической промышленности в 2030 году8,49,55,56,57. C Распределение годовых выбросов от производства NH3 и окисления углеводородов до сырья, прямых выбросов и переработки отходов, тепловой энергии и электроэнергии.

Переходя теперь к реакциям восстановления, отметим, что производство NH3 является крупнейшим источником глобальных выбросов парниковых газов химической промышленности2. Это связано с высоким объемом производства NH3: более половины мирового производства продуктов питания зависит от удобрений на основе аммиака. Основная часть выбросов парниковых газов связана непосредственно с реакциями риформинга метана и конверсии водяного газа с получением водородного (H2) сырья (рис. 1А).