资源、能源、地球环境、水、粮食等呈现出的问题越来越凸显,为了解决这些问题,科学技术创新是必不可少的,但作为其核心作用,化学技术的贡献占据重要地位。近年来,为了实现碳中和,解决全球资源循环难题,各国采取的应对措施备受瞩目。日本绿色和可持续发展化学奖(Japan Green and Sustainable Chemistry Award,JGSCA)的宗旨与目标,就是创新构建新型化学技术体系,推动可持续循环型社会绿色发展,即通过降低化学产品的生命全周期环境影响,解决全球长期环境问题,促进社会健康、安全、可持续发展,推进化学技术的不断创新
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第二十三届JGSCA由日本化学创新协会(JACI)对创新研究成果的环境、经济、社会、产业化效益进行综合评价,共颁发7项JGSCA奖,包括经济产业大臣奖/环境大臣奖(授予同一研究成果)、文部科学大臣奖、创新创业企业奖(2项)、绿色和可持续发展化学鼓励奖(3项)。
1 经济产业大臣奖/环境大臣奖
第二十三届经济产业大臣奖/环境大臣奖被同时授予住友化学株式会社当麻正明、真锅沙希、大泽宏规、林真弓,他们的研究价值与贡献在于创新了化学产品碳排放量计算方法并实现了推广应用。
成果概述:为实现2050年碳中和目标,在全球致力于减少温室气体排放量的进程中,产品碳足迹(CFP)计算的研究被广泛关注,其重要性在产品设计中的重视程度大幅提升。2021年,住友化学株式会社在计算本公司产品CFP的基础上,开发了CFP专业计算软件CFP-TOMO
®,并向企业、公司、社会提供无偿计算服务。目前,商业化CFP计算软件无法满足化学产品CFP的复杂计算需求,CFP-TOMO
®自身独特的计算程序大大简化了CFP计算过程,在化学产品CFP计算中被广泛采用,同时在其他行业也有广泛的使用。CFP-TOMO
®系统概述详见
图1。
创新点:在实现碳中和的背景下,因为化学产业产品数量庞大在社会产品占据重要地位,围绕化学产品CFP计算,软件企业开发了多种类型的商业化CFP计算软件,如
图1所示。另外,在欧洲,欧盟碳边境调节机制(CBAM)和电池设计规则都明确要求进行CFP计算。
为精准计算产品CFP,住友化学株式会社通过Microsoft Access开发了CFP计算工具FP-TOMO®。采用Microsoft Excel格式输入数据并得出计算结果。2021年6月住友化学开始研发FP-TOMO®,当年12月完成了初始版本,并对本公司20 000个产品进行了CFP计算。
住友化学基于CFP计算非竞争性考虑,向其他行业提供了FP-TOMO®无偿计算服务。从2023年3月开始,日本化学工业协会与企业合作,进一步完善了企业无偿使用FP-TOMO®计算CFP的使用方案。
在化学产品CFP的计算过程中,产业链上游企业的产品作为下游企业产品的原料使用,通常采用收敛计算方法,另外化学产品生产副产物种类繁多,CFP计算方法针对性强,因此其他企业在使用FP-TOMO®无偿计算服务时要特别注意本企业产品生产条件与住友化学生产所需条件的一致性。
现有商业化CFP计算软件无法满足化学产品CFP的复杂计算需求,CFP-TOMO®自身独特的计算程序大大简化了CFP计算过程,目前由超过107家各类型公司在使用CFP-TOMO®的CFP无偿计算服务。为了进一步推广普及CFP-TOMO®的计算服务,住友化学将推出新型协议合作模式,满足企业个性化需求。FP-TOMO®计算程序,融合计算规则与需求方的需求,有效缩减CFP计算工作量,有助于CFP-TOMO®的推广应用,为化学产业发展做出了巨大贡献。
2 文部科学大臣奖
第二十三届文部科学大臣奖授予大阪大学的坂本雅典先生,其研究价值与贡献在于开展了红外光能源化研究。
成果概述:太阳光是地球所有生物能源需求的来源,具有清洁可持续的特点。从环境与能源的角度,能源使用从化石资源向太阳能的转化,是有效削减二氧化碳(CO2)排放、实现碳中和的关键。太阳光中46%为热辐射射线(红外光),由于缺乏有效利用技术,大量太阳能仍无法有效利用。将热辐射射线(红外光)高效转化为电、化学能的技术仍然是大阪大学产业科学研究所研究的核心,是极具挑战的现代科学技术研究。
创新点:重掺杂半导体纳米粒子,能够选择性地吸收红外光,是红外光能量资源化的关键材料。获奖者发现,由掺杂半导体纳米粒子局域离子体共振(LSPR:localized surface plasmon resonance)激发的载流子迁移新机制,实现了由红外光到化学能最大效率的转化。基于LSPR原理的光能转化,转化效率低一直是阻碍其实用化、产业化的障碍。获奖者的研究成果极大地提升了基于LSPR原理的光能转化效率,为红外光能量资源化奠定了基础。
选择性吸收红外光的装置采用无色透明设计,实现透射可见光的目的。可透射性是未来太阳光利用的基本性能。选择性地采集红外线区域的太阳光进行发电的透明太阳能电池,可以作为住宅门窗的玻璃使用,实现太阳能电池住宅全覆盖。建造透明太阳能电池覆盖的高层建筑,作为城市中心太阳能利用的方法,实现了无障碍城市太阳能利用的景观与建筑物化设计。日本京都大学创建的企业 OPTMASS,推动实现了利用红外光发电的透明窗用玻璃的产业化。
红外光的能源化技术实现了降低环境热负荷(红外照射升温),产生可再生能源(太阳能转化为电能)的双重效能。此项技术为治理环境热污染与太阳能资源利用企业发展注入了强大推动力量。
3 创新创业企业奖
第二十三届创新创业企业奖授予AZUL Energy株式会社和超临界技术中心株式会社。
3.1 AZUL Energy株式会社
AZUL Energy株式会社的伊藤晃寿、薮浩、林诚之开发了不含稀有金属的AZUL催化剂,为推动经济社会发展与碳排放逐渐“脱钩”做出了贡献。
成果概述:为实现2050年碳中和目标,氢能源系统的推广普及备受关注。目前,氢燃料电池与水电解氢装置,大量使用铂等稀有金属作为催化剂,生产成本与供应风险成为限制其推广普及的瓶颈。由日本东北大学发起,AZUL Energy株式会社针对上述发展瓶颈,开发了利用蓝色颜料替代稀有金属的技术,生产了不含稀有金属的“AZUL催化剂”。此技术模仿生物体内血红蛋白活性部位分子结构,构建了以酞菁颜料为基础的不含稀有金属的“AZUL催化剂”,具有廉价、易于产业化生产的特点,实现了“AZUL催化剂”产业稳定供应,为推动氢能利用实现社会脱“碳”奠定基础。
创新点:稀有金属催化剂是氢能源系统中核心物质,是氢能源系统成本上升的因素之一,供给存在限制与政治风险。稀有金属出口严重依赖有限的出产国,存在供给不足与价格高涨的潜在风险,也成为经济安全保障上的难题。稀有金属开采与精制造成严重环境影响,严重阻碍碳中和目标的实现。
AZUL Energy开发的“AZUL催化剂”以酞菁大共轭体系为基础骨架,具有自然界生物体内血红蛋白活性部位分子结构。目前中心金属和取代基的组合数据库包含有200种以上结构模型,可作为燃料电池阴极用的氧还原催化剂、绿色氢制造用的氢产生催化剂等用途的分子设计基础,如
图2所示。
酞菁过渡金属络合物分子与碳吸附机理,推动了与铂吸附碳性能一致的无稀有金属催化剂的研发。此工艺无需高温处理,与以往的碳合金催化剂相比,可以大幅削减CO2排放量。生产1 kg铂,开采与精制的工序需排放17 t CO2,而基于酞菁颜料的AZUL催化剂生产每1 kg产品仅排放12 kg CO2。
基于酞菁颜料的AZUL催化剂解决了性能、成本、资源制约、稳定供给、CO2削减多重难题。AZUL催化剂产业化与社会化是下一步发展的重要方向,为实现碳中和社会做出贡献。
3.2 超临界技术中心株式会社
超临界技术中心株式会社的田中雅裕、根路铭叶月、竹崎大志、藤井景子、后藤元信等建立了利用超临界CO2萃取咖啡豆与茶叶中咖啡因的新技术,并实现了产业实用化。
成果概述:以超临界CO2萃取法为基础的GREEN DECAF PROCESS®技术实现了实用化萃取咖啡因,采用无溶剂生产工艺,是一种仅用水和CO2作为溶剂的工艺,成功实现了从咖啡和茶叶中萃取咖啡因的高安全性过程。目前,咖啡因是依靠海外提取加工的产品,依据此技术实现了本土、高品质、鲜活供应,有效缩短了运输距离,降低了石油燃料的消耗。此技术中采用的萃取剂(CO2)来源于石油化学工厂排放的废气,可有效降低环境影响负荷,给环境与社会带来益处。
创新点:随着消费者健康意识的提高,咖啡饮料的市场急剧扩大,日本咖啡的进口量自2000年以来增加了8倍以上。近年来,“咖啡因控制”这个词也开始出现,“早上加入咖啡因,下午喝咖啡”等配合时间和身体状况的咖啡产品的喝法广为传播。咖啡因提取工艺大致分为有机溶剂提取、水工艺、CO2提取,通过处理成本低有机溶剂提取得到的咖啡因占8成。虽然咖啡产品的需求在不断增加,日本国内相应的提取处理加工设施一直以来依赖进口,实现本土化提取成为亟待解决的问题。
超临界CO2与己烷特性相似,可作为高环境负荷有机溶剂的替代产品使用。获奖者以超临界CO2为提取基础,开发了对人和环境无危害的提取技术(GREEN DECAF PROCESS®),并在日本实现了实用化。同时,此技术应用于绿茶成分提取,可保持绿茶本身特有颜色,也保持了茶氨酸、儿茶酸等功能物质特性,开创了咖啡茶制造新工艺,实现了抹茶、红茶等多种茶叶咖啡因提取,也广泛被用于烹茶工艺。通过优化相关参数,茶叶在提取咖啡因后,仍然保持茶叶自身的特征风味。
超临界技术中心是为推广名古屋大学超临界流体技术研究成果而成立,在其他多领域也进行了多方面的研究开发工作。例如,使用超临界流体提取天然产物中功能性成分,作为化妆品添加成分,减少化妆品生产过程中93%有机溶剂的使用量。超临界流体也被称作高安全性绿色溶剂,也被用于复合材料再利用技术的开发,为推动循环经济做出贡献,为实现可持续社会发展提供技术支撑。
4 绿色和可持续发展化学鼓励奖
第二十三届绿色和可持续发展化学鼓励奖(GSCE)分别授予ENEOS株式会社、东曹株式会社和东京工业大学。
4.1 ENEOS株式会社
ENEOS株式会社的田川一生、菖蒲纪子、神畑知辉开发了植物基系列润滑油ENEOS GX,并实现了商业化。
成果概述:抑制CO2排放,是应对全球变暖的重要对策。润滑油生产工艺,通过低粘度化、添加节油添加剂,可大幅度降低能耗,然而废润滑油作为燃料使用,增加了CO2的排放。润滑油实现碳中和意义重大。2023年4月上市的“ENEOS GX(Green Transformation)系列”润滑油以植物油脂为原料,配合低碳基材,具有节能性和省油性,为实现碳中性社会做出贡献。对使用后的“ENEOS GX系列”产品再精制并作为再生油使用,势必对循环型社会做出很大贡献。
创新点:温室效应气体CO2排放有效控制,成为全球有效应对气候变暖的对策。作为石油产品之一的润滑油,通过低粘度化和优化配方等性能改良方式,有效降低CO2排放,提升产品节能性。目前,大部分润滑油都是以原油为原料,通过作为燃料使用的方式被回收利用,产生大量CO2。因此,废弃润滑油资源化利用对实现碳中和意义重大。以植物为原材料的油脂作为润滑油基础油,有效降低石油使用量,但是植物来源的基础油分子内多存在双键,与高度精制的矿物基础油相比,氧化稳定性差。另外,由于植物油脂具有酯键,与机械中密封材料或树脂发生化学反应,因此以植物为原材料的油脂作为润滑油基础油虽然提升了润滑油本身的节能性,但是对使用对象的功能性造成损害。
针对以上问题,获奖者以植物油脂为原料,新探索了具有高度精制矿物油特性的烃类合成工艺,合成了新型生物质基基础油。在此基础上,开发了润滑油产品ENEOS GX系列产品,节能型GX-SE32与节能型生物质GX-MP2产品于2023年4月实现商业化,如
图3所示。GX系列产品采用低碳原料,降低了产品自身的碳足迹,提升产品节能性,有效抑制CO
2的产生,为社会实现碳中和做出贡献。另外,使用后的废GX润滑油焚烧排放的CO
2量与同等植物生长过程中消耗CO
2量相互抵消。另外,还可以将废GX润滑油回收、再精制并作为再生油使用,可以抑制CO
2的排放量,实现资源化循环。
4.2 东曹株式会社
东曹株式会社的野口周人、安田齐弘、中岛雄次合成了低温固化封端异氰酸酯。
成果概述:封端异氰酸酯(BI)通过封端剂保护异氰酸酯基(—N=C=O),在加热条件下,封端剂脱离,重新产生活性—N=C=O基,再与多元醇等反应,生成一种高稳定性异氰酸酯产品。几年来,为了有效降低CO2排放,涂装工艺降低能量消耗的要求不断提高,更低温度下反应并固化的BI成为研究焦点。获奖者开发了一种使用通用封端剂和专用催化剂的低温固化BI。专用催化剂在封端剂解离过程中发挥作用,有效降低封端剂解离所需能量,使封端剂解离温度从130℃降低到80℃。新型BI可有效降低涂装工艺中能量消耗与CO2排放量,为实现可持续社会贡献力量。
创新点:聚氨酯涂料是一类以多元醇和多异氰酸酯为原料、耐久性和经济性优异的涂料。BI是一种用封端剂保护—N=C=O基的固化剂。BI中的封端剂在受热条件下解离而开始与多元醇的固化反应,不受使用时间的限制,能够简便地施工,广泛用于汽车涂装生产线,如
图4所示。
为了进一步降低CO2排放,涂装工艺中的降低热能消耗要求不断提高,开发一种低温活化、低温固化的固化剂成为必然趋势。目前,吡唑或丙二酸二乙酯等容易解离的封端剂被应用于低温固化剂,但是无法满足80℃固化与40℃稳定的性能要求,固化后在涂膜中残留封端剂大幅度降低涂膜性能。
针对这一难题,获奖者开发了一种将通用封端剂甲乙酮肟与专用封端剂解离催化剂组合使用的低温固化BI。专用封端剂解离催化剂在加热条件下发挥作用,可以将甲乙酮肟的解离温度从130℃降低到80℃。结合环境影响需求,现在正在开展涂料稳定性提升与水性化的研究,同时,也在积极开展在木材和塑料等低耐热材料表面应用的研究。本技术将固化剂与催化剂组合使用,构建了单组分液型涂料,有效解决了双组分液型涂料施工时间短的问题。
此项研究成果可有效削减涂装工序能源消耗量、CO2排放量、涂料废弃物产生量,为实现社会可持续发展做出巨大贡献。
4.3 东京工业大学
东京工业大学的菅原勇贵开发了用于电解水的高性能铁系催化剂,以此为基础提出了电解水铁系催化剂晶体结构综合设计的创新理论。
成果概述:利用水电解产氢技术,作为实现脱碳社会、氢社会的关键技术,备受关注。廉价且高活性的电极催化剂是水电解产氢技术高效化的必要条件。本研究成果基于铁系氧化物的晶体结构,提出了水电解用高性能催化剂设计理论。获奖者基于此理论,开发了铁系氧化物催化剂和稀有金属氧化铱活性催化剂。
创新点:水电解制氢绿色技术,以可再生物质水为原料,成为实现碳中和推动社会可持续发展的关键技术。碱性环境下,水电解可以使用铁等廉价金属作为电极催化剂,有效降低成本。水电解过程中,阳极氧化速度慢已成为研究难题,急需高活性催化剂。铁系氧化物型催化剂缺乏相应的设计理论支撑,开发效率低。
为了解决以上问题,获奖者着眼于催化剂材料的结晶结构,发现了结晶内铁-氧键键长越短、活性越高的规律,不依赖于材料的元素组成、价态、结构类别。本研究成果通过切换铁原子之间活性因子,开发了廉价的铁-钙氧化物(CaFe
2O
4),如
图5所示。DFT(Discrete Fourier Transform)计算揭示 CaFe
2O
4快速反应机理在于表面存在3个铁原子反应活性位点。活性评价结果表明,CaFe
2O
4催化活性超过铁系氧化物催化剂与贵金属铱催化剂。基于同样的设计理论,以铁系磷氧化物为基础,设计了磷酸化物Fe
3O
3(PO
4),其催化活性超过了铁系氧化物。
这些研究成果,为水电解用电极催化剂的开发,从结晶结构的角度,提供设计理论支撑,为电极催化剂研究领域腾飞奠定了基础。此外,本成果提出的电化学催化作用的晶体结构理论,不仅限于水电解用催化剂,还可推广到燃料电池、电化学CO2还原、电化学氨合成等其他电化学催化剂的设计中,对促进碳中和能量转换技术的普及有很大贡献。
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