千噸級生物質催化轉化制乙二醇裝置。大連化物所供圖

10月17日，在北京舉辦了一場由中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果評價會，由中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱大連化物所)研究員張濤，研究員鄭明遠和王愛琴的團隊與中科柏易金(鄭州)新能源科技有限責任公司(以下簡稱中科柏易金公司)等合作開發的“千噸級生物質催化轉化制乙二醇中試技術”通過成果評價。

評價委員會一致認為，該技術首創了生物質糖一步催化轉化制乙二醇新路線，開發出千噸級生物質糖制乙二醇成套技術，實現了生物質催化轉化高選擇性制乙二醇由基礎研究新發現到千噸級規模應用的跨越，綜合技術達到國際領先水平。

在一片掌聲中，張濤露出了欣慰的笑容。這項合作技術的開端要追溯到2008年，張濤團隊在國際上首創了利用生物質催化轉化制乙二醇技術，讓纖維素催化轉化制乙二醇“一步到位”。

十幾年彈指一揮間，原創技術變成了一片真實的“鋼鐵森林”。張濤笑著說：“我們給生物質催化轉化制乙二醇貼上了‘中國標簽’。”

秸稈帶來轉機

據了解，乙二醇又被稱為甘醇，是一種無色無臭、有甜味的液體，從人們身上穿的合成滌綸纖維衣物，到家里裝飲料的聚酯瓶片，再到汽車引擎中不可或缺的防凍液，都可以看到它的身影，是日常生活中不可缺少的一種有機化合物。

相關數據顯示，每年全世界乙二醇的消費量超過3000萬噸。我國是乙二醇主要的生產和消費大國，每年消費量超過2000萬噸。

乙二醇主要以石油乙烯或煤炭為原料。如此龐大的社會需求使得乙二醇的生產面臨著原料不可再生、二氧化碳排放量大、能耗高等問題，亟待發展更環保、高效的生產技術，以此減少輕化石能源資源的消耗。

纖維素在這個時候走進了團隊的視野。

作為自然界最豐富的生物質資源，纖維素大量來源于農林廢棄物，含量極其豐富。與玉米和淀粉不同，纖維素不能被人類消化、不可食用，其使用不會對食品供應產生影響。這使得纖維素成為理想的可再生碳資源，可用來生產燃料和化學品。

由于纖維素降解所需催化劑中貴金屬資源有限，纖維素的轉化成本高昂。因此，在各種生物質轉化反應中用較便宜的碳化物替代貴金屬催化劑非常重要。

大連化物所的研究團隊發現航天催化領域里的碳化鎢是一種更低成本的催化劑，可以替代貴金屬催化劑在纖維素中的作用。“因為我們團隊從事航天領域的一些研究，所以發現了碳化鎢。為了進一步提高催化劑的產物收率，我們在上述催化劑中加入了少量的鎳，以此促進碳化鎢的形成。”王愛琴說道。

隨后，研究團隊在一次偶然的實驗中，發現秸稈催化產物里乙二醇有很高的選擇性，能夠高效地將纖維素“一步”制成乙二醇，大大節省了反應時間。

基于上述發現，2008年，張濤團隊在國際上首創了利用秸稈等生物質催化轉化制乙二醇技術，利用獨創的催化糖分子C-C選擇性斷鍵的鎢基催化劑體系，實現了生物質一步法催化轉化制乙二醇新過程，為生物質轉化提供了新途徑。

原創技術“走進”工廠

技術成果發布后，大連化物所研究團隊并沒有停止對生物質催化轉化制乙二醇技術的探索。他們希望有朝一日能讓這項綠色技術真正走進工廠、走進人們生活中。

于是，研究團隊從催化基礎科學和技術工業應用兩個維度開展了持續系統的研究工作，在催化劑創新、機理研究、原料拓展、過程放大等方面取得系列進展。

“接下來最重要的就是與企業合作獲取一些大型裝置工業數據，來驗證該技術的可行性。”鄭明遠介紹道。

2019年，研究團隊與中科柏易金公司等合作開展“千噸級生物質催化轉化制乙二醇中試項目”，于2022年初在河南濮陽建成國際首套千噸級生物質催化轉化制乙二醇裝置，并于同年6月首次投料，一次性打通工藝流程，獲得了工業級的生物質乙二醇產品。隨后，項目團隊對裝置流程進行了技改升級。

據介紹，2023年10月16日，該裝置完成了72小時現場考核，反應過程中，乙二醇產物選擇性接近80%，產品分離純度達到99.9%，紫外透光率達到聚酯級乙二醇國家標準。裝置運行數據表明，該技術路線的技術經濟性優于現有的生物乙醇—生物乙烯—生物基乙二醇技術路線，同時產出的生物質乙二醇產品經用戶合成聚酯測試，品質優于煤炭基乙二醇，與石油基產品性能相當。

與社會需求接軌

“傳統煤制乙二醇或者石油制乙二醇路線長、耗時長，而生物質制乙二醇技術僅僅通過一個步驟就完成了復雜的反應，在節省時間成本的同時高效獲得了乙二醇，推動了生物質利用的發展，屬于綠色低碳循環經濟路線。”本次科技成果評價會主任、中國科學院院士何鳴元表示。

生物質乙二醇作為生物基聚酯材料不可替代的合成原料，發展前景廣闊。該項目生產出的乙二醇產品已經推向市場，用于生產生物基滌綸(PET)、全生物基呋喃塑料(PEF)、香精香料等，獲得了一定的綠色溢價。

16年產業轉化歷程，讓大連化物所研究團隊堅持下來的原因除了實現原創技術工業化的愿望，還有未來利用生物質減少對石油、煤炭依賴的希望，這與“雙碳”背景下社會對于減碳、降碳的要求不謀而合。

截至目前，“生物質催化轉化制乙二醇技術”已獲得40余項授權發明專利，具有完善的自主知識產權，并獲得2022年遼寧省科學技術獎一等獎。千噸級生物質催化轉化制乙二醇中試技術有望為乙二醇產業鏈升級、生物基聚酯生產和我國綠色化工提供重要的技術解決方案，對實現我國“雙碳”目標和經濟可持續發展具有重要意義。

對于原創性技術從實驗室走向工廠，何鳴元很興奮：“開展創新基礎研究要有重大發現，要轉化為可用的成果。科研團隊要對現有技術背景有深入的理解，才能知道新技術的發展方向。真正的創新在于技術的創新。”

該中試運行結果為生物質催化轉化制乙二醇技術的萬噸級工業應用奠定了基礎。“未來，通過發展生物質應用，我們希望推進生態環境保護的發展，以此減少對化石資源的依賴。”張濤說。