科技 | 我國科學家在綠色催化技術上取得新突破

費托合成是化學工業中一項重要的催化反應技術，主要用于將合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體）轉化為液體燃料或烯烴等高值化學品。我國科學家開發出一項新的催化調控技術，使費托合成過程幾乎不產生二氧化碳，還可大幅提升油品或烯烴的產率，為低碳化工制造提供了新策略。這項重要成果于日前在《科學》雜志上在線刊發。

費托合成在煤炭、天然氣和生物質等碳資源制備油品和高值化學品過程中發揮著關鍵作用。一直以來，費托合成主要采用鐵基催化劑，這種具有低成本、高油品時空產率等優勢的催化劑，目前占據全球三分之二以上的費托合成產能。然而，其最大短板是在反應過程中易產生大量二氧化碳，產率常高達30%，導致碳資源浪費。

中國科學院山西煤炭化學研究所溫曉東教授團隊聯合北京大學馬丁教授團隊經研究發現，在合成氣中引入極其微量的鹵素化合物如溴甲烷、碘甲烷等，就能實現對鐵基催化劑表面反應路徑的精準控制，將生成二氧化碳的反應路徑關閉，使二氧化碳幾乎實現“零排放”。同時，采用該方法生成的高附加值烯烴比例提升至85%以上，超過行業平均水平，為高碳資源的清潔高效利用提供了全新思路。

x-Fe?C?和x-Fe?C?-Br催化劑的結構

烯烴是合成纖維、橡膠和塑料等化工產品的關鍵原料，被譽為“化工基石”。長期以來，工業烯烴主要來源于石油裂解。隨著石油資源趨緊與“雙碳”目標推進，開發以煤炭、天然氣或生物質氣化合成氣（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化為烯烴和燃料，備受關注。然而，傳統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，導致大量CO?生成，嚴重限制了碳利用效率和烯烴選擇性。

針對這一難題，研究團隊結合表面化學勢調控理論、自動化高通量實驗，提出了一種痕量鹵代烷烴共進料調控策略。通過X-射線光電子能譜（XPS）、同步輻射X射線吸收近邊結構譜 (XANES)、高靈敏度低能離子散射譜（HS-LEIS）等各種先進表征技術，他們發現在反應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對表面氧物種循環的有效調節，從而動態調控催化劑表面的催化性能：

·阻斷H?O的解離，抑制WGS副反應；

·阻止表面O與CO結合，幾乎完全消除歧化反應生成的CO?；

·抑制烯烴加氫副反應，顯著提升烯烴產率。

這一“分子手術式”策略無需改變催化劑配方，只需在反應體系中引入微量鹵素，即可實現CO?近零排放與高烯烴選擇性，具有即插即用的普適優勢。

該研究不僅實現了低碳與高效的雙重突破，還揭示了鹵素在反應中的活化–調控機理，為理解鐵基費托催化劑的微觀反應路徑提供了重要理論依據。

未來，團隊將繼續探索鹵素調控策略的工業放大與長期穩定性驗證，推動其在煤制油、天然氣轉化及生物質利用等領域的應用，助力我國煤化工產業向高效、低碳、綠色方向轉型。

“這種調控方式完全不改變原有催化劑結構、無需更換設備，只需引入微量的鹵素化合物，就好像在烹飪中加入一滴‘分子級調味料’，就能實現‘動態調控’，‘關掉’副反應通道，提升反應的碳原子利用效率，具有極強的工程適應性。”中國科學院山西煤炭化學研究所溫曉東教授說。

“費托合成是中國煤化工和合成氣化工的重要支柱，但其二氧化碳釋放的副產問題是制約其綠色升級的最大挑戰之一，以往方法最多只能把二氧化碳生成比例從30%降到10%。”北京大學馬丁教授說。團隊工作提供了一個簡單有效的技術解決方案，攻克了“費托合成高碳排放”的世界性難題，實現了綠色低碳的烯烴或油品生產，有望為我國煤化工過程的脫碳提供新的路徑。

來源：新華社

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