導(dǎo)讀

馬丁是北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的教授，他的研究方向之一是C1轉(zhuǎn)化過程的催化體系開發(fā)，例如基于合成氣轉(zhuǎn)化的費(fèi)托（Fishcher–Tropsch）合成過程。《自然-化工》就如何通過潛在策略將這一高排放過程重新設(shè)計(jì)為低碳路徑并推動(dòng)可持續(xù)化工發(fā)展對(duì)他進(jìn)行了專訪。

Q：費(fèi)托（Fischer–Tropsch）技術(shù)已有近百年的應(yīng)用歷史。您能否對(duì)這一工藝作總體介紹，并談?wù)勊鼘?duì)化學(xué)工業(yè)的影響？

A：費(fèi)托合成（Fischer–Tropsch synthesis，F(xiàn)TS）最早由德國(guó)科學(xué)家弗朗茨·費(fèi)舍爾（Franz Fischer）和漢斯·特羅普施（Hans Tropsch）于20世紀(jì)20年代提出。經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，該技術(shù)已成為一項(xiàng)在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的工藝，可將由一氧化碳（CO）和氫氣（H2）組成的合成氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴類產(chǎn)物。它為獲得中碳數(shù)烷烴和烯烴提供了一條替代路徑，從而使液體燃料的生產(chǎn)擺脫了對(duì)石油資源的單一依賴。

更為重要的是，任何能夠生成合成氣的碳資源——例如煤、天然氣、生物質(zhì)，甚至二氧化碳或廢塑料——都可以作為原料，為未來循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了新的可能性。此外，費(fèi)托合成產(chǎn)物具有較高的品質(zhì)，例如不含硫、氮化物及芳烴，非常適合作為清潔柴油和可持續(xù)航空燃料。

費(fèi)托合成在南非和卡塔爾被視為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，已實(shí)現(xiàn)百萬噸級(jí)規(guī)模的工業(yè)化部署。在中國(guó)，煤制油（CTL）長(zhǎng)期以來是緩解對(duì)進(jìn)口石油依賴的重要技術(shù)手段。隨著中國(guó)邁向碳中和目標(biāo)，費(fèi)托合成不僅是一項(xiàng)具有二十世紀(jì)標(biāo)志意義的關(guān)鍵技術(shù)，也正在成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)燃料與化學(xué)品制造未來的重要技術(shù)平臺(tái)。

Q：在推動(dòng)費(fèi)托合成（FTS）向更加可持續(xù)、能效更高且低碳化路徑發(fā)展的過程中，仍面臨哪些主要挑戰(zhàn)？

A：費(fèi)托合成（FTS）或煤制油（CTL）過程在可持續(xù)性方面面臨的核心困境，可概括為“三高一低”。首先是高碳排放：傳統(tǒng)煤制油工藝每生產(chǎn)1噸燃料大約會(huì)排放6噸二氧化碳，顯著高于石油煉制過程。其次是高能耗：合成氣制備及費(fèi)托合成反應(yīng)通常在高溫高壓條件下進(jìn)行，使整體能效僅為30-50%。第三是高耗水：氣化與分離單元均為典型的高耗水過程。最后是低碳利用效率：受Anderson–Schulz–Flory（ASF）分布規(guī)律的限制，費(fèi)托合成產(chǎn)物的選擇性受限，導(dǎo)致產(chǎn)物碳鏈長(zhǎng)度分布較寬。因此，當(dāng)前費(fèi)托合成技術(shù)對(duì)化石原料的高度依賴以及其巨大的能源消耗，與實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)在根本上存在沖突。

Q：您能否概述一下目前已采取了哪些策略，以降低費(fèi)托（FT）工藝對(duì)環(huán)境的影響？

A：工業(yè)界已探索多種路徑以減輕費(fèi)托合成（FTS）對(duì)環(huán)境的影響。其中一種重要思路是提升能源利用效率：通過系統(tǒng)集成與余熱回收，將費(fèi)托反應(yīng)放出的熱量用于驅(qū)動(dòng)氣化或重整等吸熱步驟，在某些情況下可將整體能效提高至50% 以上。另一項(xiàng)關(guān)鍵策略是二氧化碳捕集與封存（CCS），即在氣化過程中對(duì)產(chǎn)生的CO2進(jìn)行捕集并加以封存。然而，該方案通常會(huì)使運(yùn)行成本增加15–30%，其經(jīng)濟(jì)可行性及公眾接受度仍存在爭(zhēng)議。此外，研究還集中在水氣變換反應(yīng)的優(yōu)化上，通過調(diào)控H2/CO 比例以減少碳損失，并借助逆水氣變換反應(yīng)將CO2回收轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品。與此同時(shí)，催化劑開發(fā)致力于調(diào)控產(chǎn)物選擇性，減少不需要的副產(chǎn)物生成，從而降低后續(xù)分離過程的能耗。

盡管上述策略具有重要意義，但本質(zhì)上仍屬于“末端治理”方案，即在一定程度上緩解環(huán)境負(fù)擔(dān)，卻難以實(shí)現(xiàn)真正的低碳甚至零碳運(yùn)行。這一現(xiàn)實(shí)凸顯了該領(lǐng)域亟需更加具有變革性的創(chuàng)新思路。

Q：您的團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于“零二氧化碳排放費(fèi)托合成（FTS）”的研究工作。您能否簡(jiǎn)要介紹一下這項(xiàng)研究？

A：我們近期發(fā)表于《科學(xué)》的工作，核心在于重新審視費(fèi)托合成化學(xué)體系中的碳循環(huán)機(jī)制。在近一個(gè)世紀(jì)的工業(yè)化費(fèi)托合成催化實(shí)踐中，鐵基催化體系憑借其較高的時(shí)空收率以及鐵元素的地殼豐度優(yōu)勢(shì)，一直主導(dǎo)著工業(yè)應(yīng)用。目前，全球超過三分之二的費(fèi)托合成產(chǎn)能（約1570 萬噸/年）依賴鐵基催化劑。然而，盡管鐵基催化體系在費(fèi)托合成中展現(xiàn)出了較高的效率，其仍不可避免地產(chǎn)生大量CO2，通常會(huì)將合成氣中18–35%的CO 轉(zhuǎn)化為CO2。這些CO2主要來源于反應(yīng)體系中的水氣變換反應(yīng)（CO + H2O → CO2 + H2）以及Boudouard反應(yīng)（CO 歧化反應(yīng)：2CO → CO2 + C），這也是費(fèi)托合成中碳流失的主要途徑。

我們的突破在于發(fā)現(xiàn)以百萬分之一量級(jí)（ppm）的鹵素作為共進(jìn)料（如溴或氯）時(shí)，可以選擇性地抑制生成CO2的副反應(yīng)，同時(shí)保持CO的活化及碳鏈生長(zhǎng)過程不受影響。研究表明，吸附在催化劑表面的鹵素原子能夠調(diào)控鐵基催化劑的電子結(jié)構(gòu)，削弱水分子的吸附并阻斷其活化過程，從而顯著抑制水氣變換反應(yīng)，使CO2的生成幾乎完全消失。在近百年的鐵基費(fèi)托合成研究歷史中，這是首次實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2生成的有效抑制，從而使合成氣中的碳幾乎全部定向轉(zhuǎn)化為更有價(jià)值的烴類產(chǎn)物，真正實(shí)現(xiàn)了費(fèi)托合成體系中的“零CO2排放”路徑。

Q：您近期論文中提出的這項(xiàng)技術(shù)，是否能夠兼容現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)施？您能否就其大規(guī)模商業(yè)化潛力發(fā)表一些看法？

A：正如我們?cè)谡撐闹刑岬降?，盡管鹵素共進(jìn)料在放大過程中可能帶來一些挑戰(zhàn)，但類似策略在工業(yè)上已有長(zhǎng)期應(yīng)用，例如銀催化乙烯環(huán)氧化工藝中使用的氯共進(jìn)料。從兼容性角度來看，我們提出的鹵素調(diào)控費(fèi)托合成（FTS）概念與現(xiàn)有工業(yè)設(shè)施高度契合。它不需要新的反應(yīng)器設(shè)計(jì)，可在現(xiàn)有的漿態(tài)床或固定床系統(tǒng)中實(shí)施，鹵素添加量?jī)H為百萬分之一級(jí)別。催化劑仍為傳統(tǒng)的鐵基體系，供應(yīng)鏈成熟，操作條件與標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)托合成相當(dāng)，從而最大限度地減少工程改造需求。然而，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化仍需克服三大關(guān)鍵障礙：

①長(zhǎng)期穩(wěn)定性：實(shí)驗(yàn)室規(guī)模已進(jìn)行了數(shù)千小時(shí)的測(cè)試，結(jié)果令人鼓舞，但工業(yè)應(yīng)用要求催化體系具備多年耐久性，同時(shí)需要系統(tǒng)評(píng)估潛在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

②經(jīng)濟(jì)權(quán)衡：鹵素供應(yīng)成本及尾氣處理費(fèi)用需在碳定價(jià)體系下進(jìn)行考量。

③系統(tǒng)集成：實(shí)現(xiàn)真正的碳中和，需要將該工藝與上游低碳模塊（如綠色氫氣、CO2捕集）結(jié)合。

目前，我們正在與合作伙伴推進(jìn)中試測(cè)試，并認(rèn)為在碳稅等政策的支持下，示范規(guī)模的工廠有望在5-10 年內(nèi)投產(chǎn)。

Q：除了合成氣的轉(zhuǎn)化外，其制備本身也是一個(gè)高能耗過程，并伴隨大量碳排放。您能介紹一下貴團(tuán)隊(duì)是如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的嗎？

A：低碳合成氣的制備可以說是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)費(fèi)托合成（FTS）的最大瓶頸。目前，工業(yè)合成氣主要通過煤氣化和天然氣重整獲得，這兩種途徑均能耗高且碳排放嚴(yán)重。要實(shí)現(xiàn)真正的脫碳，需要解決若干關(guān)鍵問題。

首先是氫氣來源：理想方案是利用電解制備的綠色氫氣，但其成本高昂且難以大規(guī)模供給。其次是碳源的可持續(xù)性：如何高效將CO2轉(zhuǎn)化為CO（例如通過逆水氣變換、固體氧化物電解或電化學(xué)還原）仍面臨效率和耐久性的挑戰(zhàn)。此外，系統(tǒng)集成也至關(guān)重要：合成氣的組成和操作條件必須精確匹配下游費(fèi)托合成裝置，而原料多樣性（如生物質(zhì)、廢氣、廢塑料或捕集的CO2）進(jìn)一步增加了工程復(fù)雜性。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們團(tuán)隊(duì)正在探索多種新策略。例如，研究廢塑料的分級(jí)解聚或重整以及CO2還原，以減少對(duì)傳統(tǒng)化石資源的依賴；開發(fā)太陽能驅(qū)動(dòng)的催化制氣工藝，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)性的合成氣制備；在煤氣化環(huán)節(jié)引入CO2捕集與循環(huán)利用，結(jié)合可再生氫氣，實(shí)現(xiàn)碳資源的最大化利用。

通過這些努力，我們希望逐步建立一條低碳、高效且可工業(yè)化推廣的合成氣制備路線，為真正綠色可持續(xù)的費(fèi)托合成奠定基礎(chǔ)。

Q：鑒于合成氣制備與轉(zhuǎn)化之間，在反應(yīng)條件、氣體組成及純度方面存在差異，高效整合這兩個(gè)環(huán)節(jié)仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，您能分享貴團(tuán)隊(duì)的一些相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和見解嗎？

A：我們認(rèn)為，所謂的“合成氣制備–費(fèi)托合成（FTS）不匹配”并非無法克服的障礙，而是系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的問題。在現(xiàn)有的煤制油（CTL）工藝中，大型氣化裝置已能夠穩(wěn)定地與漿態(tài)費(fèi)托反應(yīng)器耦合，借助中間單元（如水氣變換反應(yīng)器、凈化與壓縮裝置）實(shí)現(xiàn)合成氣的可靠調(diào)節(jié)。這表明整合是可行的，盡管通常需要額外的能量消耗并增加碳排放。對(duì)于下一代低碳費(fèi)托合成來說，挑戰(zhàn)不在于整合是否可能，而在于如何通過整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的碳–能量循環(huán)。

從我們的視角來看，需要將催化劑開發(fā)與工藝整合相結(jié)合。在催化劑層面，我們重點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)能夠耐受更寬范圍H2/CO 波動(dòng)及微量雜質(zhì)的催化材料，從而減輕上游合成氣制備的負(fù)擔(dān)。在工藝層面，我們強(qiáng)調(diào)能量與碳流循環(huán)整合，例如回收費(fèi)托尾氣以調(diào)節(jié)合成氣組成，或利用鏈增長(zhǎng)反應(yīng)的強(qiáng)放熱驅(qū)動(dòng)吸熱步驟，如重整或逆水氣變換反應(yīng)（CO2+ H2→ CO + H2O）。

同樣重要的是，我們認(rèn)為數(shù)字化工具將重塑合成氣制備–FTS耦合的運(yùn)行模式。數(shù)字化與實(shí)時(shí)監(jiān)控能夠提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；先進(jìn)的過程控制技術(shù)，包括模型預(yù)測(cè)控制（MPC）和數(shù)字孿生，可增強(qiáng)系統(tǒng)在原料波動(dòng)下的魯棒性。展望未來，人工智能的引入將進(jìn)一步提升這些能力，使系統(tǒng)能夠通過機(jī)器學(xué)習(xí)與自適應(yīng)優(yōu)化，不僅響應(yīng)波動(dòng)，還能主動(dòng)優(yōu)化能量和碳流。如此，合成氣制備–FTS 耦合將從一個(gè)靜態(tài)、線性的流程，演變?yōu)橐粋€(gè)動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)，甚至部分自主的系統(tǒng)。

總之，實(shí)現(xiàn)高效整合的關(guān)鍵不在于將合成氣制備和費(fèi)托合成作為獨(dú)立單元進(jìn)行優(yōu)化，而在于將二者作為耦合生態(tài)系統(tǒng)共同設(shè)計(jì)，使催化劑、工藝與智能控制協(xié)同演進(jìn)，從而最大化碳和能量利用效率并提升工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

Q：考慮到費(fèi)托合成（FTS）已是一項(xiàng)成熟工藝，在將近期的研究成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用的過程中面臨的主要障礙有哪些？

A：盡管學(xué)術(shù)界在費(fèi)托合成（FTS）方面不斷取得突破，各類催化劑在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下有著出色的催化活性和選擇性，但這些成果在工業(yè)應(yīng)用中仍面臨諸多障礙，這些障礙主要源于基礎(chǔ)設(shè)施的限制與催化劑放大的復(fù)雜性。

現(xiàn)有的費(fèi)托合成工廠是資本密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)用于數(shù)十年的連續(xù)運(yùn)行。要改造以適應(yīng)新型催化劑，通常需要對(duì)整個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，包括換熱器、產(chǎn)物分離裝置以及溫度控制系統(tǒng)。此外，理想化的實(shí)驗(yàn)室條件和工業(yè)生產(chǎn)條件之間存在顯著的差異：在純合成氣中表現(xiàn)優(yōu)異的催化劑，在商業(yè)規(guī)模、真實(shí)原料雜質(zhì)條件下可能出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的行為，進(jìn)而影響活性位點(diǎn)的化學(xué)性質(zhì)及催化劑的失活途徑。

一個(gè)或許最關(guān)鍵且最常被忽視的挑戰(zhàn)，在于動(dòng)態(tài)過程控制的整合。工業(yè)系統(tǒng)要求催化劑不僅能耐受原料組成波動(dòng)與負(fù)荷跟隨操作，還需具備與實(shí)時(shí)優(yōu)化算法協(xié)同聯(lián)動(dòng)的能力——而這恰恰是學(xué)術(shù)研究中極少驗(yàn)證的性能。實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)驗(yàn)證與工業(yè)的動(dòng)態(tài)需求之間的鴻溝，構(gòu)成了部署下一代費(fèi)托合成技術(shù)的核心瓶頸。

Q：您如何展望費(fèi)托合成（FTS）領(lǐng)域的未來發(fā)展？在未來幾十年，您希望在這一領(lǐng)域看到哪些技術(shù)進(jìn)步或創(chuàng)新？

A：展望未來，我認(rèn)為費(fèi)托合成（FTS）技術(shù)的發(fā)展有三個(gè)前沿方向。

①首先是精確產(chǎn)物控制，突破AFS分布的限制。下一代催化劑應(yīng)能實(shí)現(xiàn)窄分布的目標(biāo)產(chǎn)物，無論是汽油、航空煤油、α-烯烴還是含氧化合物，理想狀態(tài)下應(yīng)通過調(diào)節(jié)催化體系中的部分參數(shù)即可選擇性地生成多種目標(biāo)產(chǎn)物。

②其次是能源供給系統(tǒng)的創(chuàng)新。傳統(tǒng)反應(yīng)器依賴燃燒加熱或蒸汽伴熱提供熱能，而新興方法如電加熱可實(shí)現(xiàn)快速、局部且高效的能量傳遞。這不僅提升了能量利用效率，還通過與可再生電力的精準(zhǔn)整合，大幅降低碳足跡。此外，該類系統(tǒng)能夠在催化劑床層內(nèi)產(chǎn)生自適應(yīng)熱場(chǎng)和可控的溫度梯度，引導(dǎo)反應(yīng)路徑向目標(biāo)產(chǎn)物發(fā)展。

③最后，解析費(fèi)托合成機(jī)理的百年之謎至關(guān)重要，這需要在真實(shí)反應(yīng)條件下開展原位（operando and in-situ）研究。它意味著在高壓下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)–瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，并聯(lián)用多種表征技術(shù)，以捕捉催化劑在工況下的變化和關(guān)鍵表面中間體。只有縮小模型與實(shí)際體系之間的差距，才能實(shí)現(xiàn)基于意圖而非經(jīng)驗(yàn)的催化劑設(shè)計(jì)。

Q：鑒于您在C1 化學(xué)領(lǐng)域豐富的學(xué)術(shù)與工業(yè)經(jīng)驗(yàn)，您能否為剛進(jìn)入這一領(lǐng)域的青年科研人員提供一些建議？

A：我會(huì)鼓勵(lì)年輕科研人員養(yǎng)成兩項(xiàng)基礎(chǔ)習(xí)慣。首先，在進(jìn)行研究之前，務(wù)必掌握經(jīng)典知識(shí)。許多深刻的科學(xué)洞見仍然隱藏在教科書和早期文獻(xiàn)中。理解這些歷史框架能夠幫助你區(qū)分真正的新現(xiàn)象與微小的改進(jìn)。我常提醒學(xué)生：“看似前所未有的現(xiàn)象，很可能只是遵循了我們遺忘的經(jīng)典機(jī)理?！逼浯危湟晞?dòng)手實(shí)驗(yàn)中的偶然發(fā)現(xiàn)。催化劑的發(fā)現(xiàn)不僅依賴于計(jì)劃性的篩選，更需要對(duì)異常現(xiàn)象保持敏感。我們團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)微量鹵素可以阻斷費(fèi)托合成中的CO2排放，正是因?yàn)殇撈恐械腃H3Br 雜質(zhì)意外引發(fā)了催化劑的異常行為。如果沒有仔細(xì)記錄這次“失敗”的實(shí)驗(yàn)，我們可能會(huì)將其誤認(rèn)為污染而忽略。因此，要始終問自己：為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)異常？許多具有變革性的發(fā)現(xiàn)往往源于實(shí)驗(yàn)室中細(xì)致觀察到的意外，而非完美的假設(shè)。記住，催化創(chuàng)新需要對(duì)基本原理的深刻理解，同時(shí)也要有從意外中學(xué)習(xí)的開放心態(tài)。

原文鏈接: https://www.nature.com/articles/s44286-025-00314-7

來源：北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院