Nature：国家能源集团研究人员提出制备高端化学品线性α-烯烃新技术

10月16日，《自然》（Nature）期刊发表了题为《基于纯相χ-Fe5C2催化剂的高碳效率合成气直接制线性α-烯烃技术》的新型催化技术研究成果，国家能源集团北京低碳清洁能源研究院煤间接液化技术研究中心青年科学家王鹏博士为第一作者，并与煤间接液化技术研究中心主任门卓武教授、荷兰埃因霍芬理工大学Emiel Hensen教授为共同通讯作者。

该项成果由低碳院与荷兰埃因霍芬理工大学等机构的研究人员合作开发。通过原创“纯相χ-碳化铁”催化剂，实现煤炭、天然气或生物质转化得到的合成气（氢气与一氧化碳的混合气）直接转化为高端化学品线性α-烯烃，可大幅提高碳效率、降低二氧化碳生成，填补了国际技术空白，为一步法制备高端线性α-烯烃提供了新途径。研究成果提出“纯相碳化铁催化剂体系”新理论，并将新技术命名为“FTLAO”技术。 该项技术的成功研发，对突破技术瓶颈、自主掌握我国高端化学品产业链技术具有重要战略和现实意义，将引领我国线性α-烯烃产业链的高端化跃升。

线性α-烯烃是合成高级聚烯烃、润滑油、高级洗涤剂等高端化学品的关键核心原料，用途广泛、市场需求缺口大，2023年全球消费量超过600万吨。目前世界上线性α-烯烃主要采用乙烯齐聚技术制取，但该技术生产成本高，仅能生产偶数碳线性α-烯烃，存在国际技术壁垒。我国线性α-烯烃进口依存度高，价格居高不下，严重制约了我国以线性α-烯烃为关键原料的高端化工产业发展与更新迭代，因此开发自主知识产权的全新线性α-烯烃合成技术途径对我国高端化工产业具有关键意义。

新技术首先通过煤炭在高温下与氧气和水蒸气的反应，得到合成气作为原料，再以水煤气变换反应调整合成气的成分，随后在催化剂的作用下发生“FTLAO”（费托合成直接制线性α-烯烃）反应，得到混合线性α-烯烃，再经过分离即可得到纯化的单碳线性α-烯烃。成果技术的二氧化碳生成量比现有技术降低80%，碳效率提升50%以上，在相同反应温度下的α-烯烃产率为现有技术的100倍以上。新技术在250-290℃的温和条件即可实现，为线性α-烯烃的大规模工业连续生产铺平了道路，初步测算实现商业化后，其线性α-烯烃生产成本仅8千元/吨，可为一个年产烯烃100万吨的煤化工厂每年创造效益近40亿元人民币。

本项目研究人员通过深入研究铁催化剂活性相本质，提出了有别于传统氧化铁催化剂的全新思路，原创了高碳效率、低二氧化碳、高活性的原创“纯相碳化铁催化剂体系”，在世界上首次实现“纯相χ-碳化铁”合成，并与北京科技大学合作以环境电镜在世界上首次原位捕捉到“纯相χ-碳化铁”的生成全过程。“纯相碳化铁催化剂”从活性相本质上提高了催化活性与碳效率，提供了新的全碳数线性α-烯烃合成技术路线，为未来C1化学领域的研究与发展开启了新的大门。

“纯相χ-碳化铁”生成全过程环境电镜（ETEM）监测

本成果依托低碳院牵头承担的“十四五”国家重点研发计划“低二氧化碳选择性合成气直接转化制长链α-烯烃成套技术”项目，并计划于2026年底完成万吨级工业示范。该项技术成果分别入选工信部、国务院国资委2023年度重点产品、工艺“一条龙”应用示范方向，以及中国科协2023年“科创中国”先导技术榜单，为参评项目中唯一的催化领域技术。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08078-5#Sec2

费托十年之路丨以纯相碳化铁催化剂开启长链α-烯烃工业化新纪元

10月16日，国家能源集团北京低碳清洁能源研究院（以下简称低碳院）与荷兰埃因霍芬理工大学等机构合作开发取得重大突破性进展，相关研究成果以《基于纯相χ-Fe5C2催化剂的高碳效率合成气直接制线性α-烯烃技术》为题，发表于《自然》（Nature）期刊。

该研究通过原创“纯相χ-碳化铁”催化剂，实现煤炭、天然气或生物质转化得到的合成气（氢气与一氧化碳的混合气）直接转化为高端化学品线性α-烯烃，可大幅提高碳效率、降低二氧化碳生成，填补了国际技术空白，为一步法制备高端线性α-烯烃提供了新途径。研究成果提出“纯相碳化铁催化剂体系”新理论，并将新技术命名为“FTLAO”技术。

这也是低碳院煤间接液化技术研究中心团队继CNFT系列铁基费托合成催化剂成功开发和工业应用之后取得的又一重大研究成果，团队的研究领域从煤制油扩展到煤制高端油品化学品。低碳院煤间接液化技术研究中心定向合成催化部以“十年磨一剑”的韧劲和“一辈子办成一件事”的执着，在催化关键核心技术领域实现重大技术突破，为“费托十年之路”书写了浓墨重彩的一笔，强力响应了刘国跃董事长在集团公司第四届科技创新大会上提出的“催化看低碳院”的科技品牌建设号召。

勇担重任 青年科学家首创“纯相碳化铁催化剂体系”

长链α-烯烃（linear α-olefins, 简称LAO）作为是现代化学工业的核心原料和重要中间体，全球消费量逐年递增，具有广阔的市场，需求巨大。受制于传统的乙烯齐聚合成技术，我国的长链α-烯烃需要依赖大量进口，严重限制了我国高端化工产业发展。

面对国家战略的迫切需求，自2015年伊始，低碳院煤间接液化技术研究中心青年科学家、团队技术带头人王鹏博士挺身而出，开始对合成气转化直接制线性α-烯烃这一难题发起挑战。课题研发的第一道难关是技术路线的选择，钴基催化剂活性卓越，但价格不菲；铁基催化剂价格低廉，但普遍存在CO2选择性高、碳利用效率低、液体产品中C6+ α-烯烃组分少等问题，技术路线如何选择成为一大难题。

王鹏并没有急于下结论，而是首先对铁基催化剂催化活性产生的本质——活性相与活性位问题进行了深入思考，他在查阅大量文献的基础上结合多种先进原位表征技术，对铁基催化剂的活性相和活性位问题进行了实验，发现铁基催化剂CO2选择性高、碳利用效率低等问题的本质并非源自铁基催化剂自身的缺陷，而是催化剂还原碳化过程中生成了其他物相导致了副反应的发生。基于此点发现，王鹏提出了以纯相碳化铁为催化剂活性相的原创思路，这样既能够利用铁基催化剂价格低廉的优点，又巧妙避开了副反应的困扰。

理清思路后，王鹏还要面对的一大难题是课题研发初期人员严重不足，课题一度只能通过向其他研究中心借调人员以保证研究工作不断向前推进。面对困难，王鹏主动将科研任务一肩挑，一人身兼多职，从最初的实验构想到样品制备再到实验数据的分析与验证都亲力亲为。深夜的灯光下，常常是他忙碌而坚定的身影，这样的工作状态对他而言，早已成为了习以为常的科研日常。

除了团队成员少的难题，课题组还面临关键仪器设备缺乏的挑战。纯相碳化铁催化剂高度活泼，无法在空气中稳定存在，因此对其进行表征研究需要使用各种高级原位表征仪器。但课题初期阶段，低碳院缺少原位穆斯堡尔谱、环境电镜等必需的原位仪器，导致很多实验无法进行。面对这一困难，王鹏带领团队积极“走出去”，主动与国内外知名高校和科研单位建立深度联系和合作，先后与北京大学、上海交通大学、北京科技大学、荷兰埃因霍芬理工大学建立了合作关系。在课题的攻坚阶段，王鹏经常在各地来回奔波，期望以最快速度获得真实准确的实验结果。功夫不负有心人，最终，团队与北京科技大学合作使用环境电镜在世界上首次原位捕捉到“纯相χ-碳化铁”的生成全过程。

捷报频传 “十四五”国家重大专项落地

王鹏带领团队经过艰苦工作，发现以纯相碳化铁替代传统铁催化剂活性位时，催化剂展示出“近零CO2选择性”的特性以及95%以上的超高碳效率，打破了学术界对铁催化剂固有的低碳效率的认知。2018年该成果以《基于“纯相ε-碳化铁”的超低CO2选择性费托合成》为题发表在国际著名学术期刊《科学》子刊（Science Advances）上，课题的研究自此开始步入快车道。

2022年，由低碳院牵头，联合国家能源集团包头煤化工、宁夏煤业，北京大学，中国科学院过程所等10家研发单位，成功申请了“十四五”国家重点研发计划“低CO2选择性合成气直接转化制长链α-烯烃成套技术”。该研发项目以低碳院原创“纯相碳化铁催化剂体系”为核心，采用高效浆态床反应器，与长链α-烯烃的高效分离与产物综合利用技术相结合，形成合成气直接制长链α-烯烃成套技术。

“十四五”重大专项计划的成功申报，标志着王鹏带领团队研发的“纯相碳化铁催化剂体系”开始走出实验室，进入实际应用和工业化开发阶段。项目完成后，将填补国内煤化工高附加值特种化学品技术的缺口，助力我国煤化工产业向高端化、多元化、低碳化发展，同时也将为推动下游高端聚烯烃产业的发展夯实基础。

国际合作 共筑低碳科技新高度

在“纯相碳化铁催化体系”研究过程中，王鹏与团队非常注重国际化合作，积极推动构建低碳技术研究全球创新网络。团队与荷兰埃因霍芬理工大学（TU/e）联合建立了“NICE-TU/e 碳一催化合作实验室”，定期开展学术交流与合作研究。双方合作在《ACS催化期刊 》（ACS Catalysis）、《催化学报》（Journal of Catalysis）等多个国际著名学术期刊发表了具有国际影响力的论文，并受邀在美国化学会年会、世界天然气转化大会、荷兰国家催化会议等影响力较大的国际会议上进行报告交流，极大提升了国际学术影响力。

十年一剑 “FTLAO”技术领先世界

自2015年至2024年，近十载光阴如白驹过隙，王鹏和团队成员心怀“国之大者”，坚定服务国家重大战略，牢牢扛起科技创新的重任，勇于开拓、不懈奋斗，在名利之外默默耕耘，从零的起点铸就辉煌，成功研发首创了革命性的“FTLAO”技术。这一技术不仅彻底突破了我国在合成气直接转化制备线性α-烯烃技术上的瓶颈，更引领着我国在该领域技术水平位列全球领先地位。

截至目前，基于“纯相碳化铁催化剂体系”，团队共申请发明专利101件，其中国际专利34项，出版英文专著2部，发表SCI收录文章30余篇，取得了累累硕果，鼓舞人心。

展望未来，王鹏及其团队将始终怀揣低碳初心，牢记创新使命，大力弘扬新时代科学家精神，持续深耕合成气转化直接制线性α-烯烃技术的工业化应用之路。他们将以更加坚定的步伐，早日将这一科技成果转化为现实生产力，为我国能源化工产业转型升级贡献重要力量！

来源：国家能源集团低碳院之声