——专访中石化(上海)石油化工研究院有限公司首席专家何文军

　　多相催化制碳酸乙烯酯技术，有助于推动锂电池电解液溶剂生产绿色化和“双碳”目标的早日实现。

　　这项技术，成功入选中国科协发布的2023年“科创中国”先导技术榜(绿色低碳领域)。

　　这项技术，用于车用锂电池不可或缺的电解液溶剂——高纯电子级碳酸乙烯酯。

　　这项技术，使中国石化成为全球多相催化制碳酸乙烯酯唯一专利供应商。

　　“二氧化碳多相催化制电子级碳酸乙烯酯技术”入选，主要有三方面的原因。”该技术团队负责人、中石化(上海)石油化工研究院有限公司(简称上海石油化工研究院)首席专家何文军表示：以二氧化碳作为合成新能源动力锂电池用绿色有机溶剂碳酸乙烯酯的主要原料，可以将炼化上游排放的二氧化碳全部回收转化，减少了碳足迹，提供了二氧化碳高值化利用的新途径;契合了我国大力发展新能源电动汽车从而达到减排的目的，每吨碳酸乙烯酯产品利用二氧化碳500公斤，有助于提前达成“双碳”目标;创制的多相催化剂不含对环境有害成分，日常生产无“三废”排放，是名副其实的绿色低碳技术。

　　定方向 攻难关

　　中国石油石化：何专家，您好!多相催化技术这一攻关方向是如何确定的?

　　何文军：在我们选择攻关方向的时候，商业化技术都是采用均相催化剂的。这时，摆在我们面前的选择是：是继续改进均相工艺，还是革命性地开发多相工艺?这个问题困扰了技术团队许久。最终，我们选定了多相催化关键难点作为突破口，完美解决了多相催化剂的活性和稳定性问题。

　　中国石油石化：在研发过程中，团队遇到了哪些难点?是如何攻克的?

　　何文军：我们认真分析文献案例，采用分子模拟与实验验证相结合的手段，根据合成碳酸乙烯酯反应的特点与有机多相催化剂的活性位及骨架结构特征，开发了有机交联网络结构调控技术，用“打铆钉”的方式稳定催化剂骨架，以化学键合的方式稳定活性中心。经过无数次失败，我们最终掌握了内在规律，攻克了二氧化碳活化与有机骨架稳定性的难题。此项规律普遍适用于类似催化体系的开发，为合成碳酸丙(丁)烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等实现多相催化提供了可行方案。

　　二氧化碳与环氧乙烷反应生成碳酸乙烯酯是一个强放热反应，从反应系统中移除反应热是个难度很大的挑战。只有解决快速移热才能确保催化剂长周期稳定高效运行。我们通过流体力学计算，优化设计了三维高通量流体均布内构件，利用产物通过外循环移出反应热，并将反应热通过流程模拟软件构建分布式利用网络，最终解决了反应器均温问题。

　　二氧化碳本身是一种较为惰性的气体分子，为实现其活化反应，需要性能优异的催化活性位点。技术团队一直专注于新材料的开发，从材料基体和活性中心等多方面进行了计算、设计、合成、验证，无需打断碳氧键，避免了巨大的能耗。通过催化剂与二氧化碳构建中间体，利用高含能的环氧乙烷与之反应，高选择性获得了目标产品碳酸乙烯酯。

　　优势强 含绿高

　　中国石油石化：相比均相催化，这项技术采用的多相催化具有哪些技术优势?

　　何文军：与均相催化相比，多相催化的显著优势是催化剂不溶于产品，不像均相催化剂需从产品中完全分离出来。其无需分离设备、工艺管线、控制仪表等，流程精简。均相催化工艺在生产过程中，任何一个反应都会或多或少地产生一些重组分，从产品中分离出来的催化剂需要移除这些重组分，才不至于影响循环使用性能。为避免重组分在系统重累积，在生产过程中则需要不断地更新部分催化剂，一方面额外增加了均相催化剂的非必要损耗，另一方面排出的均相催化剂与重组分的混合物作为液体或固体危废需要专门处理。多相催化剂在使用过程中限域在反应器中，从本质上解决了均相催化剂存在的上述问题。对碳酸乙烯酯生产来说，多相催化除了生产过程无“液固废”排放、流程精简之外，还具有反应条件温和、单耗低、安全性高、产品质量好等优势。多相催化剂为有机聚合物材质，不含金属元素，废催化剂处理简单环保。

　　中国石油石化：这项技术的创新点主要有哪些?

　　何文军：此项技术创新点突出，也是我们开发多相催化技术的初衷。一是发明了有机交联网络结构调控技术，创制了高稳定性、高活性的有机多相催化剂，环境友好，使用过程避免了传统均相技术的日常“液固废”排放。二是开发了适用于新型多相催化剂的反应器，反应条件温和、安全性高、吨产品单耗非常低、产品品质达到了电子级超纯级。三是首创低温热分布式利用成套工艺，电子级产品产出率高、吨产品蒸汽消耗创新低，工业装置可长周期稳定运行、运行成本低。该技术获得授权的中国发明专利48件，国际专利3件。

　　中国石油石化：电子级碳酸乙烯酯产品的指标是否非常苛刻?团队是如何努力达到这些指标的?

　　何文军：电子级碳酸乙烯酯指标(HG/T 5391—2018)有合格级和超纯级两个等级，电子级超纯级指标非常苛刻。我们得到了国内合作伙伴及下游用户的帮助，通过不断改进多相催化剂，尽可能避免了影响锂电池性能杂质的产生，反应器出口碳酸乙烯酯的纯度达到99.9%以上，减轻了后续精制的负荷，确保了电子级、超纯级产品的产出率。工业应用需要上下游联动攻关，闷在实验室再用心开发也难走出实验室。感谢合作伙伴，在我们走向成功时助了关键的一臂之力。

　　万吨级 获成功

　　中国石油石化：我们在该技术工程放大过程中做了哪些努力?取得了怎样的成果?

　　何文军：多相催化工艺技术在催化剂、反应器等方面都是新探索，可供借鉴的成熟经验较少。因此，我们在工程放大过程中遇到了不少困难。上海石油化工研究院组建了多学科研究团队，集思广益、合作求证。我们从小试开始定型催化剂、解决催化剂工业规模扩试中的重复性问题，到模试建立三维高通量内构件解决反应器流体均布问题，再到在千吨级中试中验证反应器控制方案及高效移热工艺的可行性，单是解决产品质量的稳定性就付出了巨大的努力。最后，在万吨级工业示范中验证了装置长周期稳定运行的经济性，催化剂有效限域在反应器中不流失，实现了真正意义上的多相催化。

　　中国石油石化：目前，这项技术在实际应用领域的应用情况如何?

　　何文军：二氧化碳多相催化制电子级碳酸乙烯酯这一绿色低碳创新技术完成了碳酸乙烯酯产品自身生产技术的升级，实现了对均相技术的替代。目前，以技术授权方式建成了工业生产装置3套：东营2万吨、泉州12万吨和武汉6万吨均稳定运行，生产电子级超纯级产品，持续供货于下游锂电池电解液厂家，为应用企业带来了良好的经济和社会效益。同时，我们对该技术进行了进一步延伸，开发了一系列多相催化制电子级碳酸酯如碳酸二甲酯、碳酸丙(丁)烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯技术。这些技术有望取代目前能耗和物耗高、固废排放大的均相技术，推动锂电池电解液溶剂生产的绿色化，支撑锂电池产业链零碳足迹的早日实现。

　　责任编辑：石杏茹