何良年｜面向可持续成长的二氧化碳化学 -

编者按：面向可持续发展的二氧化碳化学(I

何良年，南开大学教授, 英国皇家化学会士(FRSC)。从事绿色化学、二氧化碳资源化利用、生物质高值化等领域的研究工作。在二氧化碳化学及可再生碳基能源化学领域取得了系列创新成果, 编著了《二氧化碳化学》与《绿色化学基本原理》, 推动了二氧化碳化学领域的发展。

有效利用资源、保护环境、发展绿色化学已成为大势所趋。二氧化碳过度排放是全球变暖、极端天气和荒漠化等全球环境变化的主要诱导因素。将CO2定向转化为有价值的化学品、能源与材料, 也可一定程度上缓解环境问题, 并减缓人类对化石能源的依赖。将丰富、价廉、可再生的CO2“变废为宝、高值化利用”, 以部分替代化石原料, 满足可持续发展需求。当今世界正处于能源供给从过度依赖化石能源向基于太阳燃料转型的过渡时期, 利用太阳能以及可再生电能将CO2还原为生产碳氢燃料, 已经成为本领域有巨大应用潜力及挑战的热点课题。总之, 面向可持续发展的二氧化碳化学研究具有重要学术价值和广阔的应用前景。

与石化工业相比, 现有CO2基的化工产品种类还不多, 尤其是对映选择性催化反应少; CO2热力学上的低能态, 能量是其转化利用的基础。CO2的惰性决定了活化是进行CO2转化反应前提, 而活化的关键取决于高效催化体系。关键科学问题源于CO2活化反应机理还不明确, 难以进行催化剂的理性设计。因此, 需探讨催化作用机制, 形成催化剂设计新方法; 突破CO2还原产物精准调控问题, 以实现CO2定向转化。最引人注目的是光电催化还原CO2领域, 通过光及可再生电催化还原, 以克服转化中的能源问题, 开辟利用太阳能光解水制氢与转化CO2相结合的新途径, 即可再生能源储存和CO2 转化的可持续发展模式。此外, 将CO2转化为大宗化学品甲醇、甲酸、一氧化碳和苯酚以及高附加值产品如丙烯酸酯、杂环化合物等, 有利于提高经济性。从有害试剂替代及原子经济性来看, 作为替代化石资源的合成方法, 基于CO2的合成路线具有低碳、环境友好的巨大应用潜力。

我国在二氧化碳化学领域的研究与开发队伍规模大, 所取得的成就处于国际先进水平, 围绕二氧化碳化学与资源化利用领域的基础、应用和前沿问题, 在与CO2转化反应相关的活化机理、高活性催化剂设计开发、转化新方法、新反应、新途径与新策略、光、电催化方法、CO2制备化学品/能源产品/聚合物等方面都取得了突破。因此, 以“面向可持续发展的二氧化碳化学”为主题的中国化学会首届二氧化碳资源化利用大会, 于2019 年11 月8~10 日在南开大学成功召开。在中国化学会绿色化学专业委员会及韩布兴院士支持下, 组织基于本次大会成果的“面向可持续发展的二氧化碳化学”专题, 以展现我国学者在该领域的研究成果, 促进学术交流, 发挥我国在有机化学、精准合成、催化材料、绿色介质及高分子合成等研究领域的学科优势, 推动二氧化碳化学研究。本专题侧重于收录二氧化碳化学与资源化利用领域, 包括二氧化碳化学原理与应用(催化活化与催化剂设计)、二氧化碳定向转化的新反应/新途径/新方法、光电催化方法、CO2制备化学品/CO2基聚合物以及捕集与分离等方面所取得的最新研究成果与进展评述; 并分析与探讨CO2领域的科学问题与技术难题、所面临的机遇、挑战和未来发展方向。

本专题共收录17 篇论文, 分两期刊出。本期包含1 篇进展、4 篇评述和3 篇研究论文。孙建敏课题组围绕CO2与邻氨基苯腈羧环化合成喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮反应, 系统综述了不同类型催化剂设计、制备方法及催化性能等研究进展, 分析了所存在的关键科学问题, 并对适用于CO2转化反应的催化材料进行了展望。鲁统部课题组对电催化CO2还原制备C2产物进展作了简要评述, 阐明催化剂晶面、尺寸、形貌、担载密度、表面原子氧化态等对C2产物催化活性和选择性的影响。李康康、于海、刘恢等人针对如何提高酮基催化剂在CO2电还原为C2+的效率以及产物难以定向调控的共性科学问题, 从催化剂本征特性、催化环境与电解装置等方面进行了分析与总结。韩宝航课题组介绍了多孔聚咔唑的制备方法及其在CO2吸附与催化转化等方面的应用, 分析了材料结构与性能的关系, 总结归纳了高性能聚合物所需的关键因素。刘宁课题组综述了基于羟基、羧基、氨基、多氢键给体和特殊氢键给体促进的CO2与环氧化物的环加成反应的研究进展, 以期为高效有机催化剂的设计合成提供一种新思路。吕小兵课题组以手性2,3-丁二醇为起始原料, 通过迭代合成方法, 采用三光气为羰化试剂, 制备全同和间同结构的CO2/顺式-2,3-环氧丁烷交替共聚物(聚碳酸-2,3-丁烯酯)的四聚体和八聚体, 并用13C核磁共振谱精确分析其微结构。王万辉、包明等人利用廉价金属铜盐和N,N,N',N'-四甲基乙二胺、N,N'-二甲基乙二胺、乙二胺、联嘧啶等配体原位生成金属配合物, 并用于催化硼氢化钠还原CO2制备甲醇, 提出了可能的催化机理. 宋清文、张侃等人设计热力学有利的CO2、炔丙醇和甲醇的三组分串联反应, 成功制备碳酸二甲酯和α-羟基酮, 使用廉价锌与有机碱的协同催化体系, 对该串联反应进行了系统研究。

值此专题出版之际, 对所有作者、审稿人以及《科学通报》编辑部的大力支持和帮助表示诚挚感谢! 希望本专题能引起更多关注, 激发年轻学者兴趣, 抛砖引玉, 旨在推动CO2资源化研究与应用及相关学科的进一步发展, 提升我国在CO2化学理论研究和新技术研发的竞争力和国际地位.

* 以下为专刊文章目次，欢迎关注！（点击文末“阅读原文”可获取完整文章）

编者按

面向可持续发展的二氧化碳化学

何良年

进展

CO2催化转化合成喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮及其衍生物研究进展

刘猛帅, 平冉, 孙建敏

评述

铜基催化剂电还原CO2为多碳产物的提升策略

向开松, 刘雨程, 于海, 刘恢, 李康康

氢键给体促进有机催化的CO2与环氧化物的环加成反应

刘宁, 陈飞, 陶晟

多孔聚咔唑用于二氧化碳捕获与催化转化

王天雄, 韩宝航

电催化二氧化碳还原合成二碳产物

张超, 鲁统部

论文

CO2/顺式-2,3-环氧丁烷交替共聚物的立体寡聚物合成及微结构分析

罗婧, 孙星宇, 王霞弟, 周辉, 吕小兵

多组分串联策略固定CO2制碳酸二甲酯和α-羟基酮

张乾霞, 刘平, 张侃, 韩丽华, 宋清文

Cu配合物催化硼氢化钠还原CO2制备甲醇

王万辉, 刘平, 邱立春, 王加升, 包明

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