一碳化学

C1化学

一碳化学的研究对象是分子中只含一个碳原子的化合物，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等。在以石油、天然气为基本原料的化学工业里，甲烷是一碳化学的起点。在以煤炭为基本原料的化学工业里，一氧化碳s 一碳化学的出发点。一碳化学研究是从这两种原料出发，生产其他化工原料和产品的方法。

基本内容

化学反应过程中反应物只含一个碳原子的反应统称为一碳化学。一碳化学的主要目的是节约煤炭和石油资源，用少的碳原料生成多的燃料，提供给人类。

一碳化学是一碳化工的重要基础,是新一代煤化工和天然气化工的最主要内容之一,其作用是利用煤来制备液体燃料以及相关化学品。把握一碳化学反应的关键是催化剂,如何开发催化性能优良的催化剂是一碳化学的核心内容。

一碳化学是从一碳氢化反应开始的。以含一个碳原子的化合物——甲烷(CH4)、合成气(CO和H2)、CO2 、CH3OH、HCHO等为初始反应物，反应合成一系列重要的化工原料和燃料的化学。其核心是选择催化化学转化、小分子的活化和定向转化。CO、CO2是从煤的气化得到的、而CH4是天然气的主要成分。因此一碳化工实际上就是一种新一代的煤化工和天然气化工。其作用是解决石油利益短缺的问题，利用煤来制备液体燃料。此种涉及从一碳物质转化成为烃类的反应，称为FT合成。因此把握一碳化学的关键是催化剂，如何开发优良的催化剂左右着一碳化学的成败。

一碳化学的基干物质是CO和H2，是从任何含碳资源都能够容易得到的，这是一碳化学能够处于未来化学产业的核心的最大理由。

技术应用

随着我国生产水平的不断提升,对于化工生产污染治理的问题也更加严重,一碳化学技术是一种追求清洁能源与绿色化工的同时达成的新型化学技术。迄今，已工业化的C1化学生产技术有：

醋酸合成

以甲醇、一氧化碳为原料，在铑－碘催化剂存在下，进行羰化反应，反应条件2.8MPa、175℃。以甲醇计,选择性为99%；以一氧化碳计,选择性为90%以上。

醋酐合成

美国田纳西州的伊斯曼化学产品公司以铑系催化剂生产醋酐的方法是：

CH3COOH+CH3OH—→CH3COOCH3+H2O

CH3COOCH3+CO—→(CH3CO)2O

哈康－科学研究公司开发的方法则是将醋酸甲酯与一氧化碳生成的醋酐，一半直接作为产品，而另一半与甲醇反应生成醋酸甲酯，即：

CH3-COOCH3+CO—→(CH3CO) 2O

2(CH3CO3)O+2CH3OH—→2CH3COOCH3+H2O

总的结果为：

2CH3OH+2CO—→(CH3CO) 3O+H2O

草酸合成

现已工业化的方法是日本宇部兴产公司的工艺，其反应过程为：

2CO+2C4H9OH+ O2—→(COOC4H9)2+H2O

上述反应以钯为催化剂，在亚硝酸丁酯的存在下进行，反应温度80～100℃，一氧化碳分压5.0～7.0MPa，催化剂浓度50～100ppm，亚硝酸丁酯浓度10%，按丁醇计反应选择性为90%～93%，按一氧化碳计选择性为75%～80%。所得草酸丁酯经酸化后可得草酸及丁醇。后者可循环使用。

费托合成

用铁系催化剂，由一氧化碳和氢气合成液体燃料。此法在第二次世界大战期间曾得到应用，战后只在南非得到继续发展。

莫比尔法

70年代莫比尔化学公司开发成功的C1化学新技术。它采用ZSM-5分子筛催化剂，在340℃、1.0～2.0MPa条件下使甲醇一步转化为高辛烷值汽油。新西兰利用其丰富廉价的天然气资源，已投资建设以天然气为原料的大型甲醇合成工厂，和以莫比尔法合成汽油的工厂。此法生产每吨汽油需耗2.4t甲醇。

研究开发

近期可能工业化的产品有乙二醇、醋酸乙烯，在技术经济上差距较大的产品有烯烃、乙醇和乙醛等。

乙二醇

开发的路线很多，其中以甲醇甲醛缩合法、乙二酸酯法及甲醛氢甲酰化法的结果较好。

醋酸乙烯

已经开发的路线为：

CH3OH+CH3COOH—→CH3COOH3+H2O

2CH3COOCH3+2CO+H2—→CH2CH(COOCH2)2+CH2COOH

CH3CH(COOCH3) 2—→CH3COOCH3+CH3COOH

反应过程中产生的醋酸可循环使用。此法有可能在近期内工业化。

烯烃

有由合成气或由甲醇合成等不同路线。

乙醇

也有合成气和甲醇两种路线，前者有气相法和液相法。

我国成就

当前C1化学的进展主要集中在合成气化工和甲醇化工方面。我国C1化学化工经20多年的研究与开发，通过“七五”、“八五”、“九五”、“十五”攻关，取得了一批不同阶段的试验成果，涌现一批科研从事C1化学研究与开发的研究单位和人才，目前已有20多个单位从事C1化学的研究工作，为我国今后C1化学化工的发展奠定了一定的基础。已取得的试验成果有：

(1)合成气制备工艺技术及催化剂；

(2)甲醇脱水或合成气一步制二甲醚；

(3)甲醇脱氢制甲酸甲酯催化剂及工艺技术；

(4)甲醇脱水或合成气一步制二甲醚；

(5)合成气制烃类；

(6)合成碳酸二甲酯(DMC)；

(7)甲醇制烯烃；

(8)甲醇羰基合成醋酸；

(9)CO偶联制草酸酯、草酸、乙二醇；

(10)合成气制乙醇；

(11)含CO气体中净化提纯CO的研究与开发；

(12)高浓度甲醛的合成技术研究；

(13)CO2化工利用研究。

发展方向

一碳产品是石油的良好替代品,一碳化学与绿色化工的结合就是要实现经济与环境协调发展.无论是从世界能源发展的战略角度出发，还是着眼于环境保护、造福子孙的可持续发展，绿色化工与一碳化学的结合都有着重要的意义。随着科技的不断进步，一大批新颖、环境友好的技术已经出现在这个领域，在某些行业，甚至已经取代了传统的工业方法。随着时代的进步、科学的飞跃，未来的化工领域中，绿色的一碳化学一定会发挥出它巨大的潜力，更好地造福于人类。

下一代的一碳化学的发展方向和研究重心，主要集中于：由甲烷合成甲醇（甲醛）；由甲烷制造乙烯；CO2的固定；甲醇、甲醛的多样化展开；以及由此所引发的对新催化剂的探索。

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