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欧盟发布催化科学与技术路线图

欧盟发布催化科学与技术路线图
中科院科技战略咨询研究院丨 2016-9-5 丨  

2016年7月25日,欧洲催化研究集群(European Cluster on Catalysis)发布《欧洲催化科学与技术路线图》[1](以下简称“路线图”)。欧洲催化研究集群是应欧盟委员会制定路线图的要求于2015年1月成立的组织,汇聚了欧盟18个催化项目的研究人员,以及13家公司、38家研究机构和49所大学的研究力量,涉及英国、德国、法国、西班牙、意大利等十几个国家。路线图大量参考了催化领域已有的科研成果和科技政策研究成果,包括两份国家路线图(荷兰和德国)、三份专业路线图、德国催化学会意见书、英国皇家化学会报告、德国科学基金会计划以及专业出版物等。路线图吸纳了这些研究成果并进一步深化升级,旨在形成新的欧洲共识,将催化提升为实现未来可持续发展社会的关键科学技术,识别优先研究领域和发展方向,促进欧洲催化基础研究和应用研究的发展,使欧洲在可持续化学领域占据世界领先地位。路线图将成为“地平线2020”计划资助相关研究时的参考指南。

一、催化科技发展的特点与趋势

催化是典型的跨学科综合交叉科学,涉及化学、物理、生物、数学、材料、工程等多个领域,位于基础研究和应用研究的交叉点,与绿色化学和可持续发展紧密相连。催化是化学工业中最重要的科学技术,具有广泛的社会经济影响。20世纪铁触煤合成氨的发明使人类大量免于饥饿,欧盟“地平线2020”计划列出的七大社会挑战中,有4项的应对策略都要用到催化。催化直接或间接贡献了世界GDP的20%-30%,在最大宗的50种化工产品中有30种的生产需要催化,而在所有化工产品中这一比例是85%。

化学工业是欧洲的支柱产业之一,同时与资源、能源、环境等事关可持续发展的关键问题密切相关。为了保持欧洲的国际竞争力、实现绿色可持续发展,欧盟选择催化作为突破口之一,将其提升到通向未来可持续社会的关键核心科技的高度,广泛调动产学研等各方力量制定了此路线图。路线图分为三大部分。第一部分“情景分析”,从化工生产和能源生产角度分析了新的发展趋势,提出需要发展新的催化概念、催化材料、催化过程和催化设备等。第二部分“高水平目标”,提出催化发展面临的三大挑战,分别为解决能源和化工生产中的突出问题、通向清洁和可持续的未来、应对催化的复杂性。前两个挑战问题是针对社会经济的,后一个挑战问题是针对科学技术的。第三部分“技术方案”,分别针对三大挑战提出优先研究领域和未来10-20年研究目标。分析概括可见此次欧盟发布的路线图具有三个特点。

(1)起点高。该路线图是应欧盟委员会要求制定,在参阅了大量高质量材料和广泛征求各方意见的基础上完成,属于国家级路线图。

(2)目标大。该路线图将催化提升到通向未来可持续社会的关键科技的高度,立足于通过发展催化解决人类社会经济发展面临的一系列重要问题。

(3)成果新。该路线图对催化涉及的经济、社会和科技问题进行了全景分析,特别是关注了新兴技术,因而该路线图及时反映了最新的科技趋势。

该路线图突出体现出如下科技趋势。

(1)尽管可再生原料与能源替代化石原料与能源是趋势,但在今后一个时期内两者仍将同时使用和发展。

(2)未来化工生产将呈现集成生产模式,最大化有效利用各种能源和原材料。

(3)尽管非均相催化仍将在工业催化中占主要地位,但非均相催化、均相催化和生物催化的融合将成为发展趋势。

(4)储量丰富而成本低廉的材料将替代稀缺而昂贵的贵金属。在过渡金属中,主要使用元素周期表的第一行过渡金属。

(5)通过集成理论模拟和原位反应过程研究,深入理解认识反应机理。

(6)在纳米尺度精细制备催化剂,调控其性能。

(7)将反应、分离和浓缩等几个步骤集成到一步完成,要求催化剂的设计能同时实现这些功能。

(8)二氧化碳将成为重要的原材料。

(9)未来的研究将是知识驱动型研究。

 

二、催化科技面临的挑战与优先研究领域

路线图揭示了催化发展面临的三大挑战,并识别出应对这些挑战的优先研究领域和未来10-20年研究目标。

挑战一:发展催化以解决能源和化工生产中的突出问题

1、化石燃料

优先研究领域:①页岩气的开采为石油化工发展带来新的机遇,相应带来一系列催化剂和催化过程需要研发,如脱氢或氧化脱氢制低碳烯烃、低碳烷烃的直接功能化反应、碳-碳偶联反应、碳一化学(不经过合成气或甲醇,甲烷直接转化)等。②发展高效耐用的催化剂用于重油的转化以及重碳氢化合物的转化(沙油、煤等)。稳定性、防止失活和防止中毒是这类催化剂研究的重要方面。③优化现有催化剂和催化过程,提高节能性,提高催化选择性,减少二氧化碳排放,实现催化转化二氧化碳为化工产品。

未来10-20年研究目标:①集成的柔性催化生产过程,可针对不同原料、能源供给或不同产物实现快速转换,从而适应大量不同类型的原材料和变换的市场需求。②改进催化过程,实现直接利用页岩气和轻质烷烃生产化学品和交通燃料。③开发更加高效、耐用、稳定的催化剂和催化过程用于重油和复杂原料的转化,提高对各种原料的适应性,提高粗产品品质。④开发催化体系,从而使现有炼油厂设备(或加以改造)可以兼容生物质原料和化石原料,进而可以生产生化/化石混合燃料。⑤开展催化剂活性成分替代研究,用储量丰富的普通金属替代贵金属和重过渡金属,减轻对环境和人类健康的危害。

2、生物质利用

优先研究领域:①深入理解反应机理和催化剂作用机理,发展高稳定性和选择性催化剂。②深入理解催化剂选择性(化学选择性、立体选择性)机理并实现可调控,从而减少反应副产物。③深入理解催化剂稳定性机理并实现工业反应条件下的稳定性,克服影响催化剂实现工业实用化的因素。④开展生物质活化研究,使固态生物质便于进一步转化。⑤集成催化过程与分离技术,以解决产物难分离问题。⑥集成不同类型的催化过程(非均相、均相、生物、光电)从而达到更高的原子经济性和能源经济性。

未来10-20年研究目标:①发展具有良好底物选择性的催化剂,能够从反应起始混合物中针对性地转化底物分子。②理解在生物质转化环境下影响催化剂稳定性的因素。③集成反应体系,通过整合操作单元(生物质活化、转化、分离等)使反应过程更加有效并节约成本。④集成相关领域的科学知识(植物学、催化等)。

3、二氧化碳利用

未来10-20年研究目标:①可实现大规模应用的电解技术,采用成本低廉、储量丰富的金属做催化剂原料,用于将可再生电力转化为氢能。②开发光电化学设备,实现太阳能制氢效率超过20%,超过光伏技术。③开发催化技术,将可再生电能和氢能储存在液体燃料中。④研发人工光合过程,将二氧化碳(和氢)转化为化工产品和燃料。⑤出现世界范围的交易平台,可交易太阳能燃料、太阳能化工产品和可再生能源。

 

挑战二:发展催化以通向清洁和可持续的未来

1、促进环境保护的催化技术

1.1催化水处理

优先研究领域:①提高催化剂的选择性和长程稳定性,以增强处理地下水和污水中硝酸盐的能力。②优化催化剂组成,用于含氯有机物的加氢脱氯处理。③研发催化剂,可在温和条件下将氨或铵化合物氧化为氮气。④扩展铁基氧化催化剂的组成形式。⑤筛选合适的活性组分,制成固载型催化剂用于处理工业废水。⑥筛选合适的仿生降解方法。⑦研发胶体试剂或催化剂(纳米级),用于原位处理地下蓄水层中的污水。⑧研发催化剂,用于分解医务废水中的药物。⑨对于痕量污染物,将吸附富集与催化转化结合起来。⑩研发(光)催化体系,用于污水消毒。?研发催化剂保护方法,防止被生物包覆造成失活。

1.2催化保障卫生和生物安全

优先研究领域:研发(光)催化活性试剂,用于器物表面、饮用水和室内空气的消毒。

1.3处理工业废气

优先研究领域:①扩大温室气体(包括甲烷、一氧化二氮等)催化还原的应用范围(例如用于水泥、玻璃工业等)。②研发有效的有机挥发物吸附方法(适用于油漆厂、印刷厂等)。③研发吸附和氧化过程,用于处理半导体工业的痕量废气。

1.4内燃机尾气的后处理

优先研究领域:①通过提高对烧结现象的认识,减少催化剂中贵金属的用量。②降低氧化催化剂的点火温度。③稀燃尾气中一氧化氮的分解。④提高对铜/菱沸石催化剂的认识,扩展其操作温度范围。⑤提高催化剂载体的操作稳定性。⑥多功能催化设备,通过将多种功能集成到单一设备,降低设备复杂性和成本。⑦研发催化型微粒过滤器,当烟尘持续通过过滤器时,仍能保持有效过滤。⑧提高对催化剂载体孔道结构(介孔和微孔)的调控能力。⑨提高模拟技术的使用,减少研发时间。⑩提高汽车尾气催化剂的长程稳定性并保持高催化活性,特别是在与毒化物质接触的情况下。?开展尾气处理催化剂主要组分(铂族金属)的替代研究。

1.5催化燃烧

优先研究领域:①借助使用合适的载体和添加剂,开发不含贵金属或仅含微量贵金属的催化剂。②催化剂高度分散并保持稳定,抑制结块、烧结出现。③研发高比表面积的催化剂和载体材料,并可长时间处于1100℃以上的操作温度。④研发低温甲烷燃烧催化剂,可用于汽车尾气处理。⑤研发耐用催化剂,不易受中毒和积炭的影响。⑥研发紧凑型燃烧器和微燃烧器用于能源转化,可用于微机电系统。

2、发展催化提高化工过程的可持续性

2.1新型单体和聚合过程

优先研究领域:①深入理解加聚催化和缩聚催化过程,增强调控聚合物性质的能力,从而更精确控制分子量(分布)、选择性聚合、选择性端基官能团、极性单体引入和嵌段共聚过程。研发用于聚合物固化或自修复的“按需”聚合催化剂。研发利用生物催化或化学催化进行后聚合(post-polymerisation)表面改性,从而调控聚合物性质。②探索新型聚合技术,包括成本低、通用性好、官能团容忍性好、无毒、无味、无色的可控自由基聚合。研发基于新型单体的先进聚合技术。

未来10-20年研究目标:①既能用于简单烯烃又能用于极性烯烃的非均相聚合催化剂和嵌段共聚催化剂。②研发基于多步反应循环的集成催化体系,用于合成基于聚烯烃和工程塑料的杂化材料。③研发缩聚催化剂和固化催化剂,符合健康、安全和环境的要求。④用于调控材料性质的后聚合的催化技术:不破坏分子链的选择性端基官能团化,聚合物表面改性。⑤可控(自由基)聚合技术。⑥低碳足迹技术:低温缩聚,可降解聚合物,基于可再生单体的聚合物。⑦用于固化或自修复的“按需”聚合催化剂。⑧基于非传统单体(例如环氧化物、氮丙啶)的聚合技术。

2.2面向活性成分和精细化学品的新型可持续催化过程

优先研究领域:①直接区域选择性、非对映选择性或对映选择性官能团化芳环化合物。②对于有大量应用的常规反应,避免或减少副产物产生。③针对在无催化剂情况下转化率很低的反应,研发合适的催化剂。④研发催化方法,结合生物催化和化学催化两者的优势。⑤提高高通量筛选等技术的应用,加快产品生产和市场投放速度。⑥引入新的反应器技术,提高效率,降低成本。⑦使用多功能催化剂,减少合成步骤。⑧使用可再生原材料。

未来10-20年研究目标:①研发环境友好的催化剂,包括:催化剂的活性金属和配体容易获得;化学催化剂和生物催化剂彼此兼容;加深机理认识,改进催化剂,降低成本;对关键组分减少使用、循环使用和替代;生物催化成为标准工具。②成本节约型一锅级联反应,包括:高效、系统的催化捷径;将新催化方法用于工业生产;改进催化剂回收方法;运用酶催化和均相催化于连续流动反应。③新型选择性合成反应,包括:从计量化学转向催化化学;新催化过程,使用少量催化剂,达到高转化数和转化频率;生成多环或杂环化合物的新反应;研发全新催化反应,促进选择性有机合成。

 

挑战三:应对催化的复杂性

优先研究领域:①对化学体系和化学反应的最优控制。②发展预测型模拟技术。③理解真实、复杂的催化体系,包括:提高原位表征反应过程中的催化剂的能力。④集成型的多催化剂/多反应器体系,包括:多功能反应器;微反应器;新反应介质;即插即用式设计。

未来10-20年研究目标:①能在各种时空尺度解释化学反应/催化反应复杂性的计算化学方法。②从瞬时状态的角度认识催化,解释非平衡过程,取代目前从稳态出发的角度。③精准调控催化剂的形貌、组成和缺陷结构,从而在多尺度影响光、电和催化性质。④研发具有自修复和自组装性能的高度稳定的催化分子和催化材料。⑤结合实验光谱和计算光谱,加深机理认识。⑥控制和有效生成高度活泼的(高价)催化中间体。⑦精确控制合成和催化过程中的选择性。⑧用成本低廉、储量丰富的材料替代贵金属,使催化剂的使用具有成本效益。⑨研发新的合成方法,使配体具有理想的化学、立体和非对映选择性以及高的转化数和转化频率。⑩研发新的均相(有机)催化剂,用于光催化、分子催化和基团转移反应。?研发具有高度化学选择性的催化剂,能够专一转化多官能团分子中的某特定官能团。                     


[1] Science and Technology Roadmap on Catalysis for Europe. http://www.euchems.eu/roadmap-on-catalysis-for-europe/
 
欧盟催化科学与技术路线图.pdf