AIST与东曹合作，成功利用常压、低浓度CO2合成聚碳酸酯和聚氨酯的原料

日本产业技术综合研究所 (AIST)的研究团队与东曹株式会社 (Tosoh)合作开发了一种在常压、低浓度下由二氧化碳（CO2）合成碳酸二乙酯的催化反应。碳酸二乙酯用作聚碳酸酯和聚氨酯的原料、电解质、涂料等。

在以往利用硅化合物的碳酸二乙酯合成过程中，需要使用高纯度的CO2并加压到数兆帕，才能实现足够的收率。因此，为了获得高压、高纯度的CO2，对火力发电站和其他来源排放的低浓度CO2进行分离、纯化和压缩的过程需要成本和能源。而在新的研究中，通过使用乙醇和有机强碱化学吸附CO2形成碳酸二乙酯的反应，这允许在常压下吸附废气中包含的体积比为约15%的CO2。

该方法仅通过向反应溶液中通入废气（包含体积比15%的CO2），可以确保反应所需的CO2，这在常规方法中是难以实现的，并且达到了与常规方法相同的收率。这简化了分离低浓度CO2的纯化和压缩过程，降低了成本和能源消耗。此外，CO2无需加压设备即可转化为资源，为实现碳中和社会做出贡献。

研发的背景

为了解决全球变暖问题并摆脱化石资源，正在强调开发碳回收技术，将CO2转化为有用的化学物质作为资源。日本经济产业省的《碳回收路线图》列举了聚碳酸酯等化学品生产中CO2的用途。为了实现到2050年日本CO2回收量最大化（约1~2亿吨）的目标，有必要开发从CO2合成碳酸二乙酯的技术。

据报道，使用高压、高纯度的CO2是一种从CO2合成碳酸二乙酯的技术。然而，为了从发电站和工厂的废气中获得高压、高纯度的CO2，需要分离和纯化成本。此外，迄今为止报道的合成方法在常压下的产率显著下降。然而，使用低浓度CO2直接合成碳酸二乙酯在技术上极其困难，因此迄今为止尚未有成功案例的报道。

研究历程

日本产业技术综合研究所 (AIST)和东曹的目标是采用对环境影响较小的方法，以CO2为原料合成和制造作为聚碳酸酯、聚氨酯等原料的碳酸二乙酯。

到目前为止，研究团队已经开发出一种使用高压、高浓度CO2和可再生的硅化合物——四乙氧基硅烷 (Si(OEt) 4) 的合成方法（2020年11月）。此外，研究团队还开发了一种利用CO2化学吸附作为在常压和低浓度反应中直接利用CO2的尿素衍生物合成方法（2021年5）

在新的研究中，研究团队利用CO2在乙醇与有机强碱之间的化学吸附反应，与尿素衍生物合成法相似，开发了一种以常压、低浓度CO2为原料，以四乙氧基硅烷为原料的碳酸二乙酯合成方法。

研究概要

日本产业技术综合研究所 (AIST)和东曹通过使用乙醇和有机强碱对CO2进行化学吸收，并采用最佳催化剂，开发了一种以常压低浓度CO2和对环境影响较小的硅化合物——四乙氧基硅烷为原料的碳酸二乙酯合成方法。

在使用对环境影响较小的硅化合物的常规碳酸二乙酯合成中，需要在超过正常压力20倍的高压下加入高浓度的CO2。随后，反应容器中充分充满CO2，并继续进行生成反应。另一方面，当使用常压和低浓度的CO2时，不可能在反应容器中确保足够量的CO2。因此，研究团队重点研究了涉及乙醇和有机强碱的CO2化学吸附反应。该化学吸附反应通过将含有CO2的气体通入乙醇和有机强碱的混合溶液来合成碳酸乙酯。通过利用该CO2吸附反应，即使使用由体积比分别为15％和85％的CO2和氮气组成的混合气体，也能够吸附相当于所使用的有机强碱量摩尔比约60%的CO2。

接下来，研究团队寻找该丹樱过程的最佳催化剂，发现氧化铈（CeO2）是数十种催化剂中的最佳催化剂。此外，还揭示了有机强碱的类型对碳酸二乙酯的收率有显著影响。研究团队推测这是因为氧化铈表面存在的生成碳酸二乙酯的活性位点被有机强碱键覆盖。

最后，研究团队研究了使用各种有机强碱合成碳酸二乙酯的方法，并成功找到了一种不会导致催化剂被覆盖、使反应顺利进行的特定有机强碱。结果，当使用体积比为15%的低浓度CO2气体时，吸附的CO2中大约49%约有49%可以转化为碳酸二乙酯。另外，假设燃煤发电站废气中含有15% CO2和杂质的模拟废气（CO2浓度15%、CO浓度300ppm、SO2和NO2浓度各500ppm，其他：氮气），基于吸附的CO2 ，实现了45%的碳酸二乙酯产率。从CO2 吸附到碳酸二乙酯合成的一系列过程，可以在同一反应容器中进行。

未来计划

未来，研究团队将改进反应条件、催化剂和反应设备，旨在建立低成本、节能的制造方法。研究团队将努力解决必要的技术问题，包括考虑扩大规模，以期在2030年左右实现商业化。