煤制烯烴技術新突破：產量翻三倍，碳排放降至1%

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環球零碳》的1831篇原創

在能源化工領域，對高效、低碳合成路徑的追求已經科學研究的核心驅動力。

近日，山西煤化所聯合北京大學研究團隊共同開發出一種新型煤化工技術，不僅將目標產物烯烴產量提升至三倍以上，還幾乎完全抑制了二氧化碳的生成。

在這項發表在《科學》雜志的最新研究，首次在傳統鐵基費托合成過程中實現了二氧化碳選擇性低于1%、烯烴選擇性超過85%的重大突破。

這一成果不僅為解決行業“高碳排放”難題提供了創新方案，也為煤炭等傳統碳資源的高值化、清潔化利用開辟了全新路徑。

來源：Science

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，該過程長期面臨一個嚴峻挑戰：傳統鐵基催化劑在促進一氧化碳加氫生成烴類的同時，還會不可避免地催化附加反應，釋放出大量二氧化碳氣體。

工業實踐中，二氧化碳選擇性通常為16%至35%，這不僅造成寶貴的碳資源以溫室氣體形式流失，更嚴重制約了整體碳原子經濟性與過程環境效益。

針對這一關鍵問題，由北京大學與中國科學院山西煤炭化學研究所組成的聯合研究團隊做出了一個大膽的嘗試——向反應體系中引入微量的“毒物”。

在催化領域，某些物質（如硫、鹵素）常因會使催化劑“中毒”失活而被嚴格規避。

但這一次，研究人員反其道而行之，嘗試在合成氣中混入極少量的鹵代甲烷，例如溴甲烷，濃度低至僅百萬分之二十（20 ppm）。

實驗結果令人振奮：這一微量添加劑的引入，使得鐵基催化劑上二氧化碳的選擇性從約30%急劇下降至1%以下，幾乎實現了“零碳排放”。

與此同時，原本被副反應消耗的碳被更多地導向了目標產物——烯烴的選擇性從約23%飆升到約85%，烯烴與價值較低的烷烴的比例也從1.3:1躍升至約13:1，實現大幅提高。

圖說：鹵素共進料對費托合成反應性能的影響

來源：DOI：10.1126/science.aea1655

換算成更直觀的工業語言，這意味著從每噸原料煤中，能夠獲取的有用化工產品產量得到了數倍提升。

那么，這微乎其微的溴原子，究竟在催化劑表面施展了怎樣的“魔法”？

為深入闡釋這一現象的微觀機制，研究團隊綜合運用了多種先進的原位表征技術與理論計算方法。

原來，在鐵催化劑表面，碳元素“誤入歧途”生成二氧化碳氣體主要有兩條歧路：

一是“水煤氣變換反應”，水蒸氣與一氧化碳反應生成二氧化碳；二是“布杜阿爾反應”，一氧化碳與氧氣重組生成二氧化碳。

圖說：費托合成與副反應

來源：DOI：10.1126/science.aea1655

微量的溴元素選擇性地錨定在催化劑最活躍的位點上，形成了一層動態的“保護罩”。這層罩子并非常規理解的物理阻擋，而是從電子層面和空間結構上，巧妙地改變了反應路徑。

具體而言，溴元素首先顯著抑制了水分子在催化劑上的解離過程，從而關閉了水煤氣變換反應生成二氧化碳的反應開關。

接著，它又干擾了一氧化碳分子與表面氧原子的結合，讓布杜阿爾反應近乎停擺。

更絕的是，這層“溴罩”還對另一個不受歡迎的反應——烯烴加氫（這會使珍貴的烯烴變成價值較低的烷烴）——設置了“路障”。

它通過引入電子效應和微小的空間位阻，讓氫原子更難接近吸附在催化劑上的烯烴分子，使得烯烴更傾向于脫附成為最終產品，而非被進一步加氫。

這種“分子手術式”的干預，在不改變主體催化劑組成的前提下，實現了對復雜反應網絡的智能導向。

這項策略的魅力還在于其驚人的簡潔性與普適性。

它無需從頭研發一種全新的、復雜的催化劑材料，而僅僅是在現有的、成熟的工業反應體系中，添加一個微量的“調節劑”，即可對催化劑工作狀態進行動態、可逆的精細調整。

研究顯示，這一策略對不同晶相的鐵碳化物乃至商業鐵基催化劑都有效，展現了強大的工業化應用潛力。

在長達450小時的連續測試中，催化劑性能穩定，始終保持著高烯烴產出和近零的二氧化碳排放，這為其走出實驗室、邁向工廠奠定了堅實的基石。

圖說：鐵基催化劑與鹵素共進料在450小時內表現出穩定性

來源：DOI：10.1126/science.aea1655

當然，我們仍需認識到，這項技術突破的本質是極大提升了從碳資源到目標產品的原子利用效率，而非使化石燃料本身轉化為“零碳”能源。

它的重要意義在于，為以煤炭為代表的傳統能源的清潔、高效轉化提供了切實可行的技術選項。

該成果有力論證，通過科技創新，完全可以在提升工業產能與經濟效益的同時，顯著降低煤炭化工生產過程的環境足跡。

參考資料

[1]https://www.sxicc.ac.cn/news/kjcx/202510/t20251031_8000136.html

[2]https://news.pku.edu.cn/jxky/13e8a43c38994b9989f29540b4f06b28.htm

[3]https://interestingengineering.com/energy/china-method-triples-olefin-output-from-coal

[4]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea1655

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