費托合成是以合成氣（一氧化碳和氫氣）為原料，制備燃料和化學品的重要工業過程，在煤炭資源豐富而石油資源相對不足的國家具有重要的應用價值。我國能源結構具有“富煤、貧油、少氣”的特點，發展以合成氣為中間體的轉化技術，對保障能源安全和推動化工原料多元化具有重要意義。傳統費托合成制烯烴過程通常需要在300 °C以上、壓力大于2 MPa的條件下運行，能耗和成本相對較高，同時，在溫和條件下，反應體系普遍存在轉化率與低碳烯烴選擇性之間的權衡關系，即隨著轉化率的提高，低碳烯烴選擇性往往顯著下降，使得在高轉化率（>60%）條件下實現低碳烯烴的高選擇性仍面臨挑戰。

為解決上述問題，中國科學院大連化學物理研究所孫劍研究員和葛慶杰研究員團隊從反應本征機理出發，發現引入特定親水羥基助劑能夠對一氧化碳活化產生積極影響，為理解和調控合成氣轉化反應提供了新的視角。研究發現，在鈉-鈷-錳催化體系中引入特定羥基助劑，可以構建富含表面羥基的反應界面，誘導形成具有低對稱性三斜相結構的鈷錳復合氧化物新催化位點，提升一氧化碳的活化效率。在250–260 ℃、0.1 MPa的溫和條件下，該催化體系在較寬氫碳比范圍內一氧化碳轉化率可達80%，低碳烯烴選擇性可達60%，總烯烴選擇性超過80%。結構表征與機理研究表明，羥基助劑能夠抑制催化劑的過度還原和碳化，穩定活性氧化物相，從源頭上優化一氧化碳活化與碳-碳偶聯之間的協同關系，為理解一氧化碳/二氧化碳催化轉化過程中多相活性結構的動態演化提供了新的實驗依據。

未來，團隊將圍繞羥基助劑調控一氧化碳/二氧化碳催化轉化體系的構筑方式、活性位結構演化及反應過程優化等關鍵問題，持續推進相關基礎研究與應用探索，為我國煤炭清潔高效利用和低碳化工過程發展提供有利技術支撐。

2026年4月1日，相關論文以題為“Hydroxy-induced cobalt oxides for syngas to light olefins”發表在Nature上。

圖文介紹

對羥基助劑改性的NCM催化劑開展了性能測試，將NCM與羥基助劑（無定形勃姆石AB、羥基磷灰石HAP等）物理混合，在250℃、常壓、H?/CO=2的溫和條件下反應。結果顯示，未改性NCM的CO轉化率僅28%、低碳烯烴選擇性61%；加入AB的NCM-AB8，CO轉化率提升至72%，同時保持61%的低碳烯烴選擇性；替換為HAP的NCM-HAP8，CO轉化率進一步升至82%，低碳烯烴選擇性仍維持57%（圖1a）。與已報道的FTO、OXZEO工藝對比，該催化劑在超溫和條件下實現了行業頂尖的低碳烯烴碳利用效率（圖1b）。優化HAP添加量后發現，15wt%的HAP可獲得最高的低碳烯烴收率，繼續加量雖能提升CO單位時間轉化速率，但轉化率與選擇性均會下降，說明適量羥基助劑可生成新活性位點并提升其分散度（圖1c）。抗水測試顯示，改性催化劑與未改性、疏水改性催化劑的作用機制完全不同；在H?/CO=1的條件下，最優的NCM-HAP15實現82%的CO轉化率、62%的低碳烯烴選擇性，且CO?選擇性無上升，最終低碳烯烴碳利用效率達13%，處于已報道結果的頂尖水平。

圖1. 羥基促進劑誘導的NCM催化劑合成氣轉化的催化性能

為明確性能提升的結構根源，對反應前后的催化劑開展了形貌與體相結構表征。結果顯示，改性與未改性催化劑反應后的顆粒尺寸均在20nm左右，說明性能提升并非源于顆粒尺寸減小帶來的比表面積增加。用圓形度指數量化顆粒形貌，發現反應后未改性NCM顆粒平均圓形度僅0.786，為領域內長期認為高選擇性必需的棱柱形結構；而改性后的NCM-HAP15顆粒平均圓形度達0.882，更接近球形（圖2e、f），高分辨透射電鏡與快速傅里葉變換表征也驗證了該結果，直接顛覆了“棱柱形Co?C是高選擇性制低碳烯烴必需結構”的傳統認知。通過X射線衍射與中子衍射表征，確認羥基助劑誘導生成的全新三斜晶型Co-Mn氧化物（Co?Mn???O），才是性能提升的核心原因。

圖2. 晶體結構和形貌分析

從原子層面解析了催化劑的局域配位環境與表面化學態，X射線吸收精細結構（XAFS）表征顯示，反應后未改性NCM中Co的局域結構與Co?C納米棱柱高度匹配；而改性后的NCM-HAP15中，Co以51.5%的球形Co?C與47.4%的CoO形式存在（圖3a），擴展XAFS譜也證實，NCM中Co的配位環境與Co?C一致，NCM-HAP15則與CoO一致（圖3b）。通過準原位、非原位X射線光電子能譜（XPS），我們跟蹤了催化劑在還原后、反應1.5小時、反應24小時三個階段的表面元素價態演變（圖3c-f）：還原后NCM出現金屬態Co?，而NCM-HAP15中的Co仍保持氧化態；反應過程中，NCM中的Co逐步滲碳轉化為Co?C，而NCM-HAP15中的Co始終以氧化態為主，僅在反應24小時后出現極少量金屬態Co。兩種催化劑中的Mn均以+2價為主，改性后主要以MnO形式存在；羥基改性還顯著降低了催化劑表面的Na富集程度與積碳量，可抑制Co的過度還原與滲碳，提升含碳中間體轉化效率。XPS深度剖析顯示，羥基磷灰石在還原階段與催化劑表層相互作用，抑制Co-Mn氧化物完全還原，反應中相互作用向內部延伸，持續調控催化劑結構，保障了助劑的長效作用。

圖3. 局部配位環境與表面元素化學狀態

為明確羥基改性催化劑的反應機理，通過原位漫反射紅外傅里葉變換光譜（DRIFTS），實時監測了反應過程中催化劑表面的中間體變化（圖4a、b）。結果顯示，與未改性NCM相比，NCM-HAP15表面出現了明顯的橋連羥基伸縮振動峰（約3646 cm?1），該信號來自羥基助劑與三斜Co-Mn氧化物的界面；同時其表面出現極強的醛類特征峰（約2793 cm?1），而醛類是H*輔助CO活化路徑的關鍵中間體，證明改性催化劑主要沿該路徑反應。此外，改性催化劑的CO吸附峰更強、種類更豐富，擁有更多CO結合位點，CO程序升溫脫附結果也驗證了這一點。動力學測試顯示，NCM-HAP15的表觀活化能為119 kJ/mol，遠低于未改性NCM的137 kJ/mol，直接解釋了其高活性來源；反應級數測試發現，改性后CO吸附對反應的抑制作用大幅減弱，H?更易接觸活性位點，反應速率對H?分壓的依賴性顯著增強，與H*輔助CO活化路徑完全匹配。同步輻射真空紫外光電離質譜檢測顯示，NCM-HAP15生成的甲醛（H*輔助CO活化的核心中間體）含量更高，從實驗層面驗證了反應機理。

圖4. 反應中間體和CO活化途徑的理論計算

通過密度泛函理論（DFT）模擬，從能量角度驗證了兩種CO解離路徑的可行性，計算了CO在Co?C(020)晶面與三斜Co?Mn???O(-111)晶面上，直接解離與H*輔助解離兩條路徑的自由能變化（圖4c）。計算結果顯示，Co?C(020)晶面上，CO直接解離的能壘更低，更傾向于直接解離路徑；而三斜Co?Mn???O(-111)晶面上，H*輔助路徑的最高能壘僅1.243 eV，遠低于直接解離路徑的1.826 eV，說明羥基誘導生成的三斜Co-Mn氧化物表面，H*輔助的CO解離路徑在能量上更易發生。該結果從理論層面解釋了改性催化劑的高活性，與實驗結果形成了完整的閉環驗證。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10204-4

（科普）費托合成

（大連化物所 - 文/孫艷楠 圖/陳思）

費托合成作為一項擁有近百年歷史的經典化工技術，是以合成氣(一氧化碳和氫氣的混合氣體)為原料在催化劑和適當條件下合成以液態的烴或碳氫化合物為主的燃料及化學品的工藝過程，其名稱來源于德國化學家弗朗茨·費歇爾與漢斯·特羅普施。

費托合成的核心反應是在催化劑（通常為鐵基、鈷基或釕基材料）作用下，通過精確控制切斷與重組碳氧鍵和碳碳鍵，使一氧化碳與氫氣發生鏈增長聚合，生成直鏈烷烴、烯烴等碳氫化合物。

但是這個跨越百年的經典工藝技術，也面臨著“不夠綠、不夠省、不夠準”的挑戰。首先是碳排放較高，傳統煤基路線費托合成的本質是“以碳換油”，生產環節本身就會直接排放CO?。其次是“高能耗”與“高耗水”，費托合成需要消耗大量的水，且漫長的工藝鏈導致系統能源利用效率偏低。另一個科學難題是 “產品選擇性”難以精確控制，該反應會輸出從甲烷、汽油到長鏈石蠟的寬泛混合物，而非單一產品，雖然通過改進催化劑可以“引導”產物的分布，但實現高精度、高選擇性的定向合成仍然存在挑戰。

科學家們正致力于通過優化催化、反應器，并與可再生能源系統深度整合等，來攻克這些瓶頸，以期讓這項經典技術煥發新生。（文/孫艷楠 圖/陳思）

免責聲明：部分資料可能來源于網絡，轉載的目的在于傳遞更多信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權負責。如涉及侵權，請聯系我們及時修改或刪除。原創文章歡迎個人轉發和分享，刊物或媒體如需轉載請聯系。聯系郵箱： chem@chemshow.cn

微信號 : Chem-MSE

誠邀投稿

歡迎專家學者提供化學化工、材料科學與工程及生物醫學工程等產學研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并請注明詳細聯系信息。化學與材料科學會及時選用推送。