導(dǎo)讀

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所孫劍研究員和葛慶杰研究員團(tuán)隊(duì)在合成氣制低碳烯烴方面取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出了一種基于費(fèi)托合成體系的催化新策略，實(shí)現(xiàn)了合成氣在溫和條件下（250–260 ℃，0.1 MPa）向低碳烯烴的高效轉(zhuǎn)化。相關(guān)成果于北京時(shí)間4月1日發(fā)表在《自然》（Nature）上。

費(fèi)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(xué)品的重要工業(yè)過(guò)程，在煤炭資源豐富而石油資源相對(duì)不足的國(guó)家具有重要的應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)具有“富煤、貧油、少氣”的特點(diǎn)，發(fā)展以合成氣為中間體的轉(zhuǎn)化技術(shù)，對(duì)保障能源安全和推動(dòng)化工原料多元化具有重要意義。傳統(tǒng)費(fèi)托合成制烯烴過(guò)程通常需要在300 °C以上、壓力大于2 MPa的條件下運(yùn)行，能耗和成本相對(duì)較高，同時(shí)，在溫和條件下，反應(yīng)體系普遍存在轉(zhuǎn)化率與低碳烯烴選擇性之間的權(quán)衡關(guān)系，即隨著轉(zhuǎn)化率的提高，低碳烯烴選擇性往往顯著下降，使得在高轉(zhuǎn)化率（>60%）條件下實(shí)現(xiàn)低碳烯烴的高選擇性仍面臨挑戰(zhàn)。

為解決上述問(wèn)題，本研究從反應(yīng)本征機(jī)理出發(fā)，發(fā)現(xiàn)引入特定親水羥基助劑能夠?qū)σ谎趸蓟罨a(chǎn)生積極影響，為理解和調(diào)控合成氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供了新的視角。研究發(fā)現(xiàn)，在鈉-鈷-錳催化體系中引入特定羥基助劑，可以構(gòu)建富含表面羥基的反應(yīng)界面，誘導(dǎo)形成具有低對(duì)稱(chēng)性三斜相結(jié)構(gòu)的鈷錳復(fù)合氧化物新催化位點(diǎn)，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(nèi)一氧化碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%，低碳烯烴選擇性可達(dá)60%，總烯烴選擇性超過(guò)80%。結(jié)構(gòu)表征與機(jī)理研究表明，羥基助劑能夠抑制催化劑的過(guò)度還原和碳化，穩(wěn)定活性氧化物相，從源頭上優(yōu)化一氧化碳活化與碳-碳偶聯(lián)之間的協(xié)同關(guān)系，為理解一氧化碳/二氧化碳催化轉(zhuǎn)化過(guò)程中多相活性結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將圍繞羥基助劑調(diào)控一氧化碳/二氧化碳催化轉(zhuǎn)化體系的構(gòu)筑方式、活性位結(jié)構(gòu)演化及反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題，持續(xù)推進(jìn)相關(guān)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索，為我國(guó)煤炭清潔高效利用和低碳化工過(guò)程發(fā)展提供有利技術(shù)支撐。

文章鏈接：

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

DICP科普一下

費(fèi)托合成

費(fèi)托合成作為一項(xiàng)擁有近百年歷史的經(jīng)典化工技術(shù)，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(dāng)條件下合成以液態(tài)的烴或碳?xì)浠衔餅橹鞯娜剂霞盎瘜W(xué)品的工藝過(guò)程，其名稱(chēng)來(lái)源于德國(guó)化學(xué)家弗朗茨·費(fèi)歇爾與漢斯·特羅普施。

費(fèi)托合成的核心反應(yīng)是在催化劑（通常為鐵基、鈷基或釕基材料）作用下，通過(guò)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(fā)生鏈增長(zhǎng)聚合，生成直鏈烷烴、烯烴等碳?xì)浠衔铩?/p>

但是這個(gè)跨越百年的經(jīng)典工藝技術(shù)，也面臨著“不夠綠、不夠省、不夠準(zhǔn)”的挑戰(zhàn)。首先是碳排放較高，傳統(tǒng)煤基路線(xiàn)費(fèi)托合成的本質(zhì)是“以碳換油”，生產(chǎn)環(huán)節(jié)本身就會(huì)直接排放CO?。其次是“高能耗”與“高耗水”，費(fèi)托合成需要消耗大量的水，且漫長(zhǎng)的工藝鏈導(dǎo)致系統(tǒng)能源利用效率偏低。另一個(gè)科學(xué)難題是 “產(chǎn)品選擇性”難以精確控制，該反應(yīng)會(huì)輸出從甲烷、汽油到長(zhǎng)鏈?zhǔn)灥膶挿夯旌衔铮菃我划a(chǎn)品，雖然通過(guò)改進(jìn)催化劑可以“引導(dǎo)”產(chǎn)物的分布，但實(shí)現(xiàn)高精度、高選擇性的定向合成仍然存在挑戰(zhàn)。

科學(xué)家們正致力于通過(guò)優(yōu)化催化、反應(yīng)器，并與可再生能源系統(tǒng)深度整合等，來(lái)攻克這些瓶頸，以期讓這項(xiàng)經(jīng)典技術(shù)煥發(fā)新生。（文/孫艷楠 圖/陳思）

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所