導讀

近日，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在合成氣制低碳烯烴方面取得重要進展。團隊提出了一種基于費托合成體系的催化新策略，實現(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)成果于北京時間4月1日發(fā)表在《自然》（Nature）上。

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(yè)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(jié)構(gòu)具有“富煤、貧油、少氣”的特點，發(fā)展以合成氣為中間體的轉(zhuǎn)化技術(shù)，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(tǒng)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(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%）條件下實現(xiàn)低碳烯烴的高選擇性仍面臨挑戰(zhàn)。

為解決上述問題，本研究從反應本征機理出發(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界面，誘導形成具有低對稱性三斜相結(jié)構(gòu)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(nèi)一氧化碳轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(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)化過程中多相活性結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化提供了新的實驗依據(jù)。

未來，團隊將圍繞羥基助劑調(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)演化及反應過程優(yōu)化等關(guān)鍵問題，持續(xù)推進相關(guān)基礎(chǔ)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(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

費托合成

費托合成作為一項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條件下合成以液態(tài)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(fā)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(jīng)典工藝技術(shù)，也面臨著“不夠綠、不夠省、不夠準”的挑戰(zhàn)。首先是碳排放較高，傳統(tǒng)煤基路線費托合成的本質(zhì)是“以碳換油”，生產(chǎn)環(huán)節(jié)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(tǒng)能源利用效率偏低。另一個科學難題是 “產(chǎn)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(chǎn)品，雖然通過改進催化劑可以“引導”產(chǎn)物的分布，但實現(xiàn)高精度、高選擇性的定向合成仍然存在挑戰(zhàn)。

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

來源：中國科學院大連化學物理研究所