化工原料是支撑现代工业体系的基础物质，其合成技术的进步直接影响能源利用效率、资源可持续性和环境友好性。随着全球碳中和目标的推进，化工原料合成技术正经历从高碳工艺向绿色低碳方向的革命性转变。

​一、核心化工原料合成技术路径

​（1） 氨（NH₃）合成：从哈伯法到绿色氨

传统工艺（哈伯法）​：

​原理：在高温高压（400–500°C，15–25 MPa）下，氮气与氢气在铁基催化剂作用下生成氨。

​现状：全球年产量超1.5亿吨，但能耗占全球能源的1–2%，碳排放占1.5%。

绿色氨技术：

​绿氢替代：利用可再生能源电解水制氢（SOEC或PEM电解），结合空气分离氮气（Air Separation Unit, ASU），实现全流程零碳排放。

​案例：挪威Yara公司试点项目，采用海上风电制氢合成绿氨，碳排放减少90%。

​电化学合成：无催化剂直接电化学还原N₂为NH₃（如纳米多孔Fe、Ru基电极），但电流效率仍低于10%。

​（2）甲醇（CH₃OH）合成：碳资源高效利用

​传统工艺（合成气转化）​：

​原理：一氧化碳（CO）与氢气（H₂）在铜基催化剂下反应生成甲醇（CO + 2H₂ → CH₃OH）。

​原料来源：煤制合成气（中国主导）、天然气制合成气（中东）、生物质气化（欧洲）。

​绿色甲醇技术：

​绿氢+CO₂捕集：利用可再生能源制氢与直接空气捕集（DAC）的CO₂合成甲醇（CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O）。

​案例：丹麦Green Methanol项目，年产能10万吨，碳中和认证。

​生物甲醇：通过厌氧发酵生物质（如农业废弃物）产甲烷，再催化重整为甲醇。

​（3） 合成气（CO/H₂）合成：多产品联产

​费托合成（FT合成）​：

​原理：钴或铁基催化剂将合成气转化为长链烃（如柴油、蜡）。

​应用：煤制油（南非Sasol）、天然气制油（卡塔尔Oryx）。

​甲醇制烯烃（MTO）​：

​原理：以ZSM-5沸石为催化剂，甲醇脱水生成乙烯、丙烯。

​挑战：副产物多，催化剂易失活。

​4. 烯烃（乙烯、丙烯）合成：低碳路径突破

​传统蒸汽裂解：

​原理：乙烷/丙烷在800–900°C高温下裂解生成烯烃，能耗高且依赖化石原料。

​电催化脱氢：

​原理：在电解槽中，乙烷在高温（500–600°C）下直接脱氢生成乙烯（C₂H₆ → C₂H₄ + H₂）。

​案例：美国Siluria公司商业化项目，能效较传统工艺提升30%。

​生物基乙烯：利用藻类或纤维素发酵生产乙醇，再脱水生成乙烯。

​二、新兴技术驱动化工原料合成革新

​（1）电化学合成：电力驱动化学反应

​CO₂电还原：

​原理：在可再生电力驱动下，将CO₂还原为甲酸、乙烯等高附加值化学品。

​催化剂：铜基纳米材料（选择性生成乙烯）、铋基材料（生成甲酸）。

​氮气电还原：

​进展：MIT团队开发Li-N₂电池体系，直接电解N₂生成NH₃，法拉第效率达50%。

​（2）光催化与辐射催化

​光催化CO₂还原：

​材料：TiO₂/g-C₃N₄异质结，紫外光下将CO₂转化为甲醇（量子效率<1%）。

​γ射线辐照：

​应用：日本原子能机构利用高能射线引发CO₂与H₂O反应生成甲烷，能量利用率待提升。

​（3）生物合成：代谢工程与合成生物学

​酵母工程生产化学品：

​案例：Amyris公司改造酵母菌株，通过发酵生产法尼烯（航空燃料前体）。

​蓝藻光合固碳制乙醇：

​原理：蓝藻利用光能将CO₂转化为乙醇，效率达5 g/L/day。

三、技术经济性分析

应用场景	能耗（kWh/kg产品）	碳排放（kgCO₂/kg产品）	成本（$/kg产品）
传统蒸汽重整制氢	48–55	10–12	1.8–2.5
SOEC制氢（绿电）	35–42	<0.1	3.0–4.5
SOEC合成气（CO₂）	40–50	-2.0*	4.0–6.0
传统费托合成	60–70	5.0–6.0	2.5–3.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

四、SOEC在化工原料合成中的核心应用

​​（1）绿氢生产（合成氨/甲醇原料）​

​技术路径：

SOEC电解水制氢（2H₂O → 2H₂ + O₂），氢气用于：合成氨：N₂ + 3H₂ → 2NH₃

​甲醇合成：CO₂ + 3H₂ → CH₃OH

​优势：相比PEM/碱性电解，SOEC能耗降低30%（利用高温热降低电能需求）

丹麦Topsoe公司示范项目显示，SOEC制氢合成氨的综合效率达85%

​​（2）CO₂电解制合成气（费托合成原料）​

​技术路径：

SOEC共电解H₂O和CO₂（H₂O + CO₂ → H₂ + CO + O₂），调节H₂/CO比例（通常1:1~2:1）用于：费托合成：nCO + (2n+1)H₂ → CₙH₂ₙ₊₂ + nH₂O

​甲醇合成：CO + 2H₂ → CH₃OH

​案例：德国Sunfire的SOEC系统在CO₂转化率>70%时，合成气生产成本降至$2.5/kg

​​（3）直接电催化合成（乙烯/乙醇）​

​技术路径：

SOEC耦合电催化反应器，高温下将CO₂转化为高值化学品：

​乙烯合成：2CO₂ + 6H₂ → C₂H₄ + 4H₂O（Cu基催化剂）

​乙醇合成：CO₂ + 3H₂ → C₂H₅OH + H₂O（Rh-Sn催化剂）

​突破：中科院团队开发SOEC-电催化集成系统，乙烯选择性达65%（600°C）

五、总结

      化工原料合成技术正处于绿色转型的关键期。未来十年，通过可再生能源电力驱动、生物制造技术突破和碳循环体系构建，化工行业有望实现从"高碳工艺"向"负碳合成"的跨越。这一转型需要材料科学、反应工程和系统工程的多学科协同创新，最终建立可持续发展的化工生产新模式。

产品展示

      SSC-SOEC80电热协同催化剂评价系统是一种结合电场和热场协同作用的固体氧化物电解池（SOEC）实验平台，用于高效电解H₂O/CO₂制取H₂/CO，是SOFC的逆向反应。该系统通过精确控制温度、电压和气体组成，研究电热耦合效应对电解性能的影响，并优化催化剂材料和操作参数。本SOEC评价系统设计科学、功能全面，能够满足从材料研究到系统集成的多种测试需求。通过高精度控制和多功能测试模块，可为SOEC的性能优化与商业化应用提供可靠的数据支持。

      光电热多场耦合的催化在环境治理（如高效降解污染物）、能源转换（如CO2还原、水分解）和化工合成中有潜力。例如，在CO2还原中，光提供激发能，电帮助电子传递，热促进反应物活化，三者结合可能提高产物选择性和反应速率；光热耦合电合成氨。光电热催化代表了多能量场协同催化的前沿方向，未来将在绿色化学和碳中和领域发挥重要作用。

SOEC系统优势：

1)  研究电热协同作用对SOEC电解效率的影响，优化催化剂材料和操作参数（温度、电压）。

2) 比较不同催化剂（如Ni-YSZ与掺杂Ce/Co的催化剂）在电解H₂O/CO₂中的性能。

3)  探究温度（600–800°C）和电压（0.5–2V）对电流密度、法拉第效率及稳定性的影响。

4) 分析电化学阻抗谱（EIS）以揭示反应动力学机制。

5) 通过温度-电压协同调控、多尺度表征及长期稳定性测试，系统揭示电热催化在SOEC中的作用机制。

6)引入原位高温拉曼光谱，实时追踪催化剂动态行为。

7) “热-电协同因子”量化电热耦合效应强度。

8) 为高效电解CO₂制合成气（H₂/CO）或绿氢提供实验与理论依据。