化學(xué)與分子工程學(xué)院馬丁團(tuán)隊(duì)與合作者利用痕量鹵素實(shí)現(xiàn)費(fèi)托合成“零碳排放”烯烴生產(chǎn)
2025年10月30日，《科學(xué)》（Science）雜志刊發(fā)了一項(xiàng)具有突破性的研究成果：由北京大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所主導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)操作簡(jiǎn)便但效果顯著的催化調(diào)控策略，可在費(fèi)托合成（Fischer–Tropsch synthesis，F(xiàn)TS）過(guò)程中幾乎完全消除二氧化碳（CO2）副產(chǎn)物，同時(shí)大幅提升油品或者烯烴的選擇性，為綠色合成氣轉(zhuǎn)化和低碳化工制造提供了新策略。
費(fèi)托合成可將合成氣（一氧化碳與氫氣）轉(zhuǎn)化為液體燃料或烯烴等高值化學(xué)品，在煤炭、天然氣和生物質(zhì)等碳資源制備油品和高值化學(xué)品過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。鐵基催化劑因其低成本、高油品時(shí)空產(chǎn)率等優(yōu)勢(shì)，目前占據(jù)全球三分之二以上的費(fèi)托合成產(chǎn)能。在中國(guó)，所有費(fèi)托合成工業(yè)過(guò)程都采用鐵基催化劑。
但鐵基費(fèi)托合成過(guò)程的“天生短板”也十分突出：在反應(yīng)過(guò)程中極易發(fā)生水氣變換（WGS）和Boudouard反應(yīng)生成選擇性達(dá)18—35%的CO2，這一方面產(chǎn)生大量二氧化碳排放，更浪費(fèi)了寶貴的碳資源。在工業(yè)過(guò)程中，即使采取循環(huán)氣工程手段，CO2選擇性仍普遍超過(guò)16%。
通過(guò)在合成氣中引入百萬(wàn)分之一（ppm）濃度的溴甲烷（CH3Br），研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵基催化劑表面反應(yīng)路徑的精準(zhǔn)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，ppm級(jí)別的溴甲烷就可以將生成CO2的反應(yīng)路徑關(guān)閉，CO2的生成選擇性從傳統(tǒng)的30%左右降低至不足1%，幾乎實(shí)現(xiàn)“零排放”；同時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物——烯烴的選擇性顯著提高至85%左右，烯烴/烷烴比值更是達(dá)到約13。這一策略不僅解決了長(zhǎng)期困擾鐵基FTS的高CO2副產(chǎn)率問(wèn)題，也打破了高烯烴時(shí)空產(chǎn)率與低碳排放之間難以兼得的技術(shù)壁壘。
鹵素共進(jìn)料對(duì)費(fèi)托合成反應(yīng)性能的影響
中國(guó)科學(xué)院山西煤化所研究員溫曉東表示：“我們這項(xiàng)工作展現(xiàn)了通過(guò)痕量‘毒物’調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜催化網(wǎng)絡(luò)中反應(yīng)路徑的選擇性屏蔽。這種策略并非重構(gòu)新型材料，而是在現(xiàn)有催化劑表面引入輕巧但高效的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因素。正是這種‘輕插拔式’的調(diào)控方式，使我們能夠高效‘關(guān)掉’副反應(yīng)通道，極大提升了反應(yīng)的碳原子利用效率。”
“費(fèi)托合成一直是中國(guó)煤化工和合成氣化工的重要支柱，但CO2副產(chǎn)問(wèn)題是制約其綠色升級(jí)的最大挑戰(zhàn)之一。”北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授馬丁解釋說(shuō)，“我們的工作提供了一個(gè)簡(jiǎn)單有效的技術(shù)解決方案，實(shí)現(xiàn)綠色低碳的烯烴或者是油品生產(chǎn)。如果結(jié)合綠氫的使用和低CO2排放的煤氣化過(guò)程，這項(xiàng)技術(shù)可以為關(guān)系我國(guó)能源安全煤化工過(guò)程的脫碳提供新的機(jī)遇。”
該成果以《痕量鹵素阻斷費(fèi)-托合成制烯烴中CO2的排放》（“Trace-level halogen blocks CO? emission in Fischer–Tropsch synthesis for olefins production”）為題發(fā)表在《科學(xué)》上，迅速獲得了國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注與積極評(píng)價(jià)，《科學(xué)》同期發(fā)表題為《清潔燃料的兩條不同道路》（“Two diverging paths for clean fuel”）的展望（Perspective）文章，并在其新聞欄目（News）以《化學(xué)添加劑在生產(chǎn)合成燃料時(shí)減少碳排放：費(fèi)托合成工藝的進(jìn)步可使煤制油更清潔》（“Chemical additive slashes carbon emissions when creating synthetic fuels: Advance in Fischer-Tropsch process could make coal-to-liquid plants cleaner”）為題對(duì)該研究進(jìn)行了專(zhuān)題報(bào)道。
美國(guó)化學(xué)會(huì)《化學(xué)化工新聞》（Chemical & Engineering News）也對(duì)該工作進(jìn)行了報(bào)道，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)《化學(xué)世界》（Chemistry World）報(bào)道說(shuō)：“二氧化碳的生成近乎完全被抑制，加之對(duì)烯烴產(chǎn)物高達(dá)85%的選擇性，堪稱(chēng)一項(xiàng)極為振奮人心的突破。這在概念上創(chuàng)新并激動(dòng)人心。”
論文的通訊作者包括馬丁、溫曉東、中國(guó)科學(xué)院山西煤化所劉興武博士。寧夏大學(xué)教授劉晰，中國(guó)科學(xué)院山西煤化所博士生蔡毅，北京大學(xué)已畢業(yè)博士生王茂林、博士生謝俊忠，北京工業(yè)大學(xué)趙姝為共同第一作者。本研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、新基石研究員項(xiàng)目、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心等項(xiàng)目的資助。
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