本文2086字，阅读约需5分钟

摘要：2021年7月，由日本制铁株式会社和大阪市立大学、东北大学组成的研究小组成功开发出利用常压二氧化碳直接合成塑料的催化工艺。在推进碳循环利用的同时，能够解决传统塑料合成工艺中存在的问题，是一项划时代的成果。传统塑料合成工艺中存在怎样的问题，本次开发的工艺会给今后的塑料合成带来怎样的变化呢?本文邀请日本制铁尖端技术研究所的负责人对此次碳循环利用研究的经过和今后的可能性进行了解说。

关键字：CO₂合成塑料、催化工艺、碳循环利用、氧化铈、聚碳酸酯二醇

以现有合成方法的“绿色化”为目标

此次研究是一种催化工艺，由常压CO₂和二元醇（2个氢基与2个不同的碳结合而成的化合物的总称）直接合成聚碳酸酯二醇。聚碳酸酯二醇是用于合成以塑料为代表的聚氨酯的重要中间体。

与现有合成方法不同，该方法不使用脱水剂。

聚碳酸酯二醇的合成示意图。聚碳酸酯二醇是用于合成以塑料为代表的聚氨酯的重要中间体。

（图片来源：日本制铁）

日本制铁尖端技术研究所的负责人表示：“通常，在合成聚碳酸酯二醇时使用光气（碳酰氯）和一氧化碳（CO）作为原料，但是这些原料是有毒的，因此从绿色化学的角度来看，需要开发一种使用替代原料的合成方法。我们最初的想法是，如果能使用CO₂合成聚碳酸酯二醇的话，就可以不使用环境负荷高的剧毒物质，实现低价且安全的绿色工艺。”

本方法使用CO₂作为替代原料，与二元醇反应合成聚碳酸酯二醇，副产物只有水。

“本方法以CO₂为原料，因此为了提高其反应活性，需要提高温度或施加压力。在和东北大学的合作研究中，首先施加5MPa（百万帕斯卡、50标准大气压）的高压使反应发生，在此基础上研究如何去除副产物水，以及能否加快反应速度等课题。”

如果不使用脱水剂且在低压下进行反应的话，就能实现整个过程的节能化。

在本次研发中，日本制铁与集团公司日铁工程共同负责研究催化剂的工艺和整体流程。

经过对工艺和反应条件进行反复讨论后，终于取得了本次的研究成果。今后将从实验室规模进行扩大，面向实用化开发反应器和工艺。为此，有必要采集工程数据。

以无用的CO₂为资源，实现无毒的合成工艺

在本次研究中，通过使用CO₂作为替代原料，可以抑制CO、光气等剧毒物质的使用。

“以往，使用CO和光气制取碳酸二甲酯，再使碳酸二甲酯与二元醇反应合成聚碳酸酯二醇，制成聚氨酯产品。本研究的工艺使用CO₂和二元醇直接合成聚碳酸酯二醇，可以代替传统工艺。”

实现工艺转换的关键是选择氧化铈作为催化剂，以及去除副产物水的方法。

“为了不使用脱水剂而去除水，我们着眼于生成物、二元醇和水的沸点差。我们的想法是吹入常压CO₂，以蒸馏法去除水，进行聚碳酸酯二醇的合成。实证结果表明，通过选择性去除水，并一边蒸馏一边反应，成功以高选择率和高吸收率获得聚碳酸酯二醇。”

副产物水去除方法的示意图。传统方法使用脱水剂进行分离；通过在装置内通入CO₂，并通过蒸馏去除副产物水可以加速反应。

（图像来源：日本制铁）

另外，对于此次使用常压CO₂，其解释道：“（这是由于）实验室规模的实验器具只能在常压下进行实验。施加适当压力有助于促进CO₂的反应。今后计划通过施加压力，进一步提高反应性。今后需要从工程学的角度来研究CO₂的导入方法。”

要使该成果投入实际使用，最重要的课题是“缩短合成所需的时间”。

“目前，该工艺合成聚碳酸酯二醇需要花费72个小时以上，反应96个小时左右后生成物产率达92%。要想实现实用化，需要将该时间缩短至一半到三分之一左右，同时保持同等的反应性。”

“如果将实用化过程分为10个阶段的话，现在大概处于第3阶段。小试后为第5-6阶段，中试后则将达到第8-9阶段。希望企业家和化学厂商合作，在2030年代实现实用化。针对成本方面等的课题，通过CO₂导入量和反应条件的优化，积累材料平衡和能量平衡的实验数据，确立整个工艺的流程后，进行经济性评价和讨论。”

持续制造铁和塑料的同时实现碳中和

关于使用CO₂直接合成塑料的划时代成果，日本制铁正在考虑该成果在今后的应用以及其潜力。

“我们认为此次成果也可以应用于合成聚碳酸酯二醇以外的聚酯类二元醇。如果能实现其他应用的话，将可以扩大市场，从而增加CO₂的固定量。本次合成工艺的要点是沸点差，因而原料方面有所限制，但是如果使用比水的沸点（100℃）更高的高沸点物质的话，有望制作出各种各样的产品。”

为了实现脱碳社会，日本制铁于2021年3月制定了《日本制铁碳中和展望2050~向零碳钢铁的挑战~》。

挑战目标为包括此次研究在内的碳循环利用以及“零碳钢铁”。

“现有工艺使用铁矿石和煤炭在高炉或电炉中炼铁，会排放出大量的CO₂，因此日本制铁目前正在考虑‘零碳钢生产工艺’。日本制铁正致力于开发使用高炉或电炉，同时以无碳氢为原料的直接还原工艺。另外，挑战电炉的大型化并制造高级钢，以及氢还原制铁工艺。”

日本制铁制定的削减高炉和电炉中CO₂排放的策略路线图。到2030年，使CO₂排放与2013年相比削减30%，推进高炉氢还原工艺的开发。

（图像来源：日本制铁）

在脱碳概念逐渐深入人心的背景下，日本制铁致力于与化学厂商等企业合作，共同开展项目。

对于聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等工程塑料，如果能确立并普及以CO₂为原料的直接制造技术，就可以在维持塑料制造的同时有效控制全球变暖，这为解决塑料产业碳排放问题指引了新的方向。

世界首创的催化工艺——由CO2合成塑料