科技 | 我国科学家在绿色催化技术上取得新突破

费托合成是化学工业中一项重要的催化反应技术，主要用于将合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）转化为液体燃料或烯烃等高值化学品。我国科学家开发出一项新的催化调控技术，使费托合成过程几乎不产生二氧化碳，还可大幅提升油品或烯烃的产率，为低碳化工制造提供了新策略。这项重要成果于日前在《科学》杂志上在线刊发。

费托合成在煤炭、天然气和生物质等碳资源制备油品和高值化学品过程中发挥着关键作用。一直以来，费托合成主要采用铁基催化剂，这种具有低成本、高油品时空产率等优势的催化剂，目前占据全球三分之二以上的费托合成产能。然而，其最大短板是在反应过程中易产生大量二氧化碳，产率常高达30%，导致碳资源浪费。

中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东教授团队联合北京大学马丁教授团队经研究发现，在合成气中引入极其微量的卤素化合物如溴甲烷、碘甲烷等，就能实现对铁基催化剂表面反应路径的精准控制，将生成二氧化碳的反应路径关闭，使二氧化碳几乎实现“零排放”。同时，采用该方法生成的高附加值烯烃比例提升至85%以上，超过行业平均水平，为高碳资源的清洁高效利用提供了全新思路。

x-Fe₅C₂和x-Fe₅C₂-Br催化剂的结构

烯烃是合成纤维、橡胶和塑料等化工产品的关键原料，被誉为“化工基石”。长期以来，工业烯烃主要来源于石油裂解。随着石油资源趋紧与“双碳”目标推进，开发以煤炭、天然气或生物质气化合成气（CO/H₂）为原料的绿色低碳路径成为国际前沿方向。其中，费托合成（Fischer–Tropsch Synthesis, FTS）因能直接将合成气转化为烯烃和燃料，备受关注。然而，传统铁基催化剂同时具有费托合成、水煤气变换（WGS）以及CO歧化多重活性，导致大量CO₂生成，严重限制了碳利用效率和烯烃选择性。

针对这一难题，研究团队结合表面化学势调控理论、自动化高通量实验，提出了一种痕量卤代烷烃共进料调控策略。通过X-射线光电子能谱（XPS）、同步辐射X射线吸收近边结构谱 (XANES)、高灵敏度低能离子散射谱（HS-LEIS）等各种先进表征技术，他们发现在反应气中引入百万分之一（ppm）级的卤代烷烃（如CH₃Br），即可在分子层面实现对表面氧物种循环的有效调节，从而动态调控催化剂表面的催化性能：

·阻断H₂O的解离，抑制WGS副反应；

·阻止表面O与CO结合，几乎完全消除歧化反应生成的CO₂；

·抑制烯烃加氢副反应，显著提升烯烃产率。

这一“分子手术式”策略无需改变催化剂配方，只需在反应体系中引入微量卤素，即可实现CO₂近零排放与高烯烃选择性，具有即插即用的普适优势。

该研究不仅实现了低碳与高效的双重突破，还揭示了卤素在反应中的活化–调控机理，为理解铁基费托催化剂的微观反应路径提供了重要理论依据。

未来，团队将继续探索卤素调控策略的工业放大与长期稳定性验证，推动其在煤制油、天然气转化及生物质利用等领域的应用，助力我国煤化工产业向高效、低碳、绿色方向转型。

“这种调控方式完全不改变原有催化剂结构、无需更换设备，只需引入微量的卤素化合物，就好像在烹饪中加入一滴‘分子级调味料’，就能实现‘动态调控’，‘关掉’副反应通道，提升反应的碳原子利用效率，具有极强的工程适应性。”中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东教授说。

“费托合成是中国煤化工和合成气化工的重要支柱，但其二氧化碳释放的副产问题是制约其绿色升级的最大挑战之一，以往方法最多只能把二氧化碳生成比例从30%降到10%。”北京大学马丁教授说。团队工作提供了一个简单有效的技术解决方案，攻克了“费托合成高碳排放”的世界性难题，实现了绿色低碳的烯烃或油品生产，有望为我国煤化工过程的脱碳提供新的路径。

来源：新华社

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