山西煤化所《Science》發(fā)表重大成果：實現(xiàn)近零CO?排放與高效烯烴生產(chǎn)！

近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所溫曉東研究員團(tuán)隊與北京大學(xué)馬丁教授團(tuán)隊，首次在鐵基費托合成催化劑上實現(xiàn)了CO?選擇性低于1%、烯烴選擇性超過85%的重大突破，為高碳資源的清潔高效利用提供了全新思路。研究成果以題為?“Trace-level halogen dynamically suppresses CO? formation in Fischer–Tropsch synthesis for high-value olefins production”發(fā)表在《Science》雜志。論文第一作者和第一單位均為中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所。

烯烴是合成纖維、橡膠和塑料等化工產(chǎn)品的關(guān)鍵原料，被譽為“化工基石”。長期以來，工業(yè)烯烴主要來源于石油裂解。隨著石油資源趨緊與“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，開發(fā)以煤炭、天然氣或生物質(zhì)氣化合成氣（CO/H?）為原料的綠色低碳路徑成為國際前沿方向。其中，費托合成（Fischer–Tropsch Synthesis, FTS）因能直接將合成氣轉(zhuǎn)化為烯烴和燃料，備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)鐵基催化劑同時具有費托合成、水煤氣變換（WGS）以及CO歧化多重活性，導(dǎo)致大量CO?生成，嚴(yán)重限制了碳利用效率和烯烴選擇性。

針對這一難題，研究團(tuán)隊結(jié)合表面化學(xué)勢調(diào)控理論、自動化高通量實驗，提出了一種痕量鹵代烷烴共進(jìn)料調(diào)控策略。通過X-射線光電子能譜（XPS）、同步輻射X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)譜 (XANES)、高靈敏度低能離子散射譜（HS-LEIS）等各種先進(jìn)表征技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)氣中引入百萬分之一（ppm）級的鹵代烷烴（如CH?Br），即可在分子層面實現(xiàn)對表面氧物種循環(huán)的有效調(diào)節(jié)，從而動態(tài)調(diào)控催化劑表面的催化性能：

· ?阻斷H?O的解離，抑制WGS副反應(yīng)；

· ?阻止表面O與CO結(jié)合，幾乎完全消除歧化反應(yīng)生成的CO?；

· ?抑制烯烴加氫副反應(yīng)，顯著提升烯烴產(chǎn)率。

這一“分子手術(shù)式”策略無需改變催化劑配方，只需在反應(yīng)體系中引入微量鹵素，即可實現(xiàn)CO?近零排放與高烯烴選擇性，具有即插即用的普適優(yōu)勢。該研究不僅實現(xiàn)了低碳與高效的雙重突破，還揭示了鹵素在反應(yīng)中的活化–調(diào)控機(jī)理，為理解鐵基費托催化劑的微觀反應(yīng)路徑提供了重要理論依據(jù)。

未來，團(tuán)隊將繼續(xù)探索鹵素調(diào)控策略的工業(yè)放大與長期穩(wěn)定性驗證，推動其在煤制油、天然氣轉(zhuǎn)化及生物質(zhì)利用等領(lǐng)域的應(yīng)用，助力我國煤化工產(chǎn)業(yè)向高效、低碳、綠色方向轉(zhuǎn)型。

Impact of halogen cofeeding on catalytic performance in FTS.

Structure of x-Fe?C? and x-Fe?C?-Br catalysts.

Mechanism of Br in regulating catalytic behavior.

Theoretical investigation of olefin hydrogenation inhibition mechanism?and catalytic stability of x-Fe?C? catalyst with CH?Br cofeed in the FTS process.

本文來自：中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所