《自然-化工》采访北大马丁院士：费托合成低碳策略

导读

马丁是北京大学化学与分子工程学院的教授，他的研究方向之一是C1转化过程的催化体系开发，例如基于合成气转化的费托（Fishcher–Tropsch）合成过程。《自然-化工》就如何通过潜在策略将这一高排放过程重新设计为低碳路径并推动可持续化工发展对他进行了专访。

Q：费托（Fischer–Tropsch）技术已有近百年的应用历史。您能否对这一工艺作总体介绍，并谈谈它对化学工业的影响？

A：费托合成（Fischer–Tropsch synthesis，FTS）最早由德国科学家弗朗茨·费舍尔（Franz Fischer）和汉斯·特罗普施（Hans Tropsch）于20世纪20年代提出。经过长期发展，该技术已成为一项在全球范围内实现工业化的工艺，可将由一氧化碳（CO）和氢气（H2）组成的合成气转化为液态烃类产物。它为获得中碳数烷烃和烯烃提供了一条替代路径，从而使液体燃料的生产摆脱了对石油资源的单一依赖。

更为重要的是，任何能够生成合成气的碳资源——例如煤、天然气、生物质，甚至二氧化碳或废塑料——都可以作为原料，为未来循环碳经济的发展提供了新的可能性。此外，费托合成产物具有较高的品质，例如不含硫、氮化物及芳烃，非常适合作为清洁柴油和可持续航空燃料。

费托合成在南非和卡塔尔被视为战略性产业，已实现百万吨级规模的工业化部署。在中国，煤制油（CTL）长期以来是缓解对进口石油依赖的重要技术手段。随着中国迈向碳中和目标，费托合成不仅是一项具有二十世纪标志意义的关键技术，也正在成为实现可持续燃料与化学品制造未来的重要技术平台。

Q：在推动费托合成（FTS）向更加可持续、能效更高且低碳化路径发展的过程中，仍面临哪些主要挑战？

A：费托合成（FTS）或煤制油（CTL）过程在可持续性方面面临的核心困境，可概括为“三高一低”。首先是高碳排放：传统煤制油工艺每生产1吨燃料大约会排放6吨二氧化碳，显著高于石油炼制过程。其次是高能耗：合成气制备及费托合成反应通常在高温高压条件下进行，使整体能效仅为30-50%。第三是高耗水：气化与分离单元均为典型的高耗水过程。最后是低碳利用效率：受Anderson–Schulz–Flory（ASF）分布规律的限制，费托合成产物的选择性受限，导致产物碳链长度分布较宽。因此，当前费托合成技术对化石原料的高度依赖以及其巨大的能源消耗，与实现碳中和目标在根本上存在冲突。

Q：您能否概述一下目前已采取了哪些策略，以降低费托（FT）工艺对环境的影响？

A：工业界已探索多种路径以减轻费托合成（FTS）对环境的影响。其中一种重要思路是提升能源利用效率：通过系统集成与余热回收，将费托反应放出的热量用于驱动气化或重整等吸热步骤，在某些情况下可将整体能效提高至50% 以上。另一项关键策略是二氧化碳捕集与封存（CCS），即在气化过程中对产生的CO2进行捕集并加以封存。然而，该方案通常会使运行成本增加15–30%，其经济可行性及公众接受度仍存在争议。此外，研究还集中在水气变换反应的优化上，通过调控H2/CO 比例以减少碳损失，并借助逆水气变换反应将CO2回收转化为有价值的化学品。与此同时，催化剂开发致力于调控产物选择性，减少不需要的副产物生成，从而降低后续分离过程的能耗。

尽管上述策略具有重要意义，但本质上仍属于“末端治理”方案，即在一定程度上缓解环境负担，却难以实现真正的低碳甚至零碳运行。这一现实凸显了该领域亟需更加具有变革性的创新思路。

Q：您的团队近期发表了一项关于“零二氧化碳排放费托合成（FTS）”的研究工作。您能否简要介绍一下这项研究？

A：我们近期发表于《科学》的工作，核心在于重新审视费托合成化学体系中的碳循环机制。在近一个世纪的工业化费托合成催化实践中，铁基催化体系凭借其较高的时空收率以及铁元素的地壳丰度优势，一直主导着工业应用。目前，全球超过三分之二的费托合成产能（约1570 万吨/年）依赖铁基催化剂。然而，尽管铁基催化体系在费托合成中展现出了较高的效率，其仍不可避免地产生大量CO2，通常会将合成气中18–35%的CO 转化为CO2。这些CO2主要来源于反应体系中的水气变换反应（CO + H2O → CO2 + H2）以及Boudouard反应（CO 歧化反应：2CO → CO2 + C），这也是费托合成中碳流失的主要途径。

我们的突破在于发现以百万分之一量级（ppm）的卤素作为共进料（如溴或氯）时，可以选择性地抑制生成CO2的副反应，同时保持CO的活化及碳链生长过程不受影响。研究表明，吸附在催化剂表面的卤素原子能够调控铁基催化剂的电子结构，削弱水分子的吸附并阻断其活化过程，从而显著抑制水气变换反应，使CO2的生成几乎完全消失。在近百年的铁基费托合成研究历史中，这是首次实现对CO2生成的有效抑制，从而使合成气中的碳几乎全部定向转化为更有价值的烃类产物，真正实现了费托合成体系中的“零CO2排放”路径。

Q：您近期论文中提出的这项技术，是否能够兼容现有的工业设施？您能否就其大规模商业化潜力发表一些看法？

A：正如我们在论文中提到的，尽管卤素共进料在放大过程中可能带来一些挑战，但类似策略在工业上已有长期应用，例如银催化乙烯环氧化工艺中使用的氯共进料。从兼容性角度来看，我们提出的卤素调控费托合成（FTS）概念与现有工业设施高度契合。它不需要新的反应器设计，可在现有的浆态床或固定床系统中实施，卤素添加量仅为百万分之一级别。催化剂仍为传统的铁基体系，供应链成熟，操作条件与标准费托合成相当，从而最大限度地减少工程改造需求。然而，实现商业化仍需克服三大关键障碍：

①长期稳定性：实验室规模已进行了数千小时的测试，结果令人鼓舞，但工业应用要求催化体系具备多年耐久性，同时需要系统评估潜在的腐蚀风险。

②经济权衡：卤素供应成本及尾气处理费用需在碳定价体系下进行考量。

③系统集成：实现真正的碳中和，需要将该工艺与上游低碳模块（如绿色氢气、CO2捕集）结合。

目前，我们正在与合作伙伴推进中试测试，并认为在碳税等政策的支持下，示范规模的工厂有望在5-10 年内投产。

Q：除了合成气的转化外，其制备本身也是一个高能耗过程，并伴随大量碳排放。您能介绍一下贵团队是如何应对这些挑战的吗？

A：低碳合成气的制备可以说是实现可持续费托合成（FTS）的最大瓶颈。目前，工业合成气主要通过煤气化和天然气重整获得，这两种途径均能耗高且碳排放严重。要实现真正的脱碳，需要解决若干关键问题。

首先是氢气来源：理想方案是利用电解制备的绿色氢气，但其成本高昂且难以大规模供给。其次是碳源的可持续性：如何高效将CO2转化为CO（例如通过逆水气变换、固体氧化物电解或电化学还原）仍面临效率和耐久性的挑战。此外，系统集成也至关重要：合成气的组成和操作条件必须精确匹配下游费托合成装置，而原料多样性（如生物质、废气、废塑料或捕集的CO2）进一步增加了工程复杂性。

为应对这些挑战，我们团队正在探索多种新策略。例如，研究废塑料的分级解聚或重整以及CO2还原，以减少对传统化石资源的依赖；开发太阳能驱动的催化制气工艺，实现绿色可持续性的合成气制备；在煤气化环节引入CO2捕集与循环利用，结合可再生氢气，实现碳资源的最大化利用。

通过这些努力，我们希望逐步建立一条低碳、高效且可工业化推广的合成气制备路线，为真正绿色可持续的费托合成奠定基础。

Q：鉴于合成气制备与转化之间，在反应条件、气体组成及纯度方面存在差异，高效整合这两个环节仍是一个重大挑战。从系统设计的角度，您能分享贵团队的一些相关经验和见解吗？

A：我们认为，所谓的“合成气制备–费托合成（FTS）不匹配”并非无法克服的障碍，而是系统架构设计的问题。在现有的煤制油（CTL）工艺中，大型气化装置已能够稳定地与浆态费托反应器耦合，借助中间单元（如水气变换反应器、净化与压缩装置）实现合成气的可靠调节。这表明整合是可行的，尽管通常需要额外的能量消耗并增加碳排放。对于下一代低碳费托合成来说，挑战不在于整合是否可能，而在于如何通过整体系统设计实现闭环的碳–能量循环。

从我们的视角来看，需要将催化剂开发与工艺整合相结合。在催化剂层面，我们重点设计开发能够耐受更宽范围H2/CO 波动及微量杂质的催化材料，从而减轻上游合成气制备的负担。在工艺层面，我们强调能量与碳流循环整合，例如回收费托尾气以调节合成气组成，或利用链增长反应的强放热驱动吸热步骤，如重整或逆水气变换反应（CO2+ H2→ CO + H2O）。

同样重要的是，我们认为数字化工具将重塑合成气制备–FTS耦合的运行模式。数字化与实时监控能够提供动态系统行为的基础数据；先进的过程控制技术，包括模型预测控制（MPC）和数字孪生，可增强系统在原料波动下的鲁棒性。展望未来，人工智能的引入将进一步提升这些能力，使系统能够通过机器学习与自适应优化，不仅响应波动，还能主动优化能量和碳流。如此，合成气制备–FTS 耦合将从一个静态、线性的流程，演变为一个动态、自适应，甚至部分自主的系统。

总之，实现高效整合的关键不在于将合成气制备和费托合成作为独立单元进行优化，而在于将二者作为耦合生态系统共同设计，使催化剂、工艺与智能控制协同演进，从而最大化碳和能量利用效率并提升工业竞争力。

Q：考虑到费托合成（FTS）已是一项成熟工艺，在将近期的研究成果转化为工业应用的过程中面临的主要障碍有哪些？

A：尽管学术界在费托合成（FTS）方面不断取得突破，各类催化剂在实验室规模下有着出色的催化活性和选择性，但这些成果在工业应用中仍面临诸多障碍，这些障碍主要源于基础设施的限制与催化剂放大的复杂性。

现有的费托合成工厂是资本密集型产业，生产装置设计用于数十年的连续运行。要改造以适应新型催化剂，通常需要对整个子系统进行再设计，包括换热器、产物分离装置以及温度控制系统。此外，理想化的实验室条件和工业生产条件之间存在显著的差异：在纯合成气中表现优异的催化剂，在商业规模、真实原料杂质条件下可能出现不可预测的行为，进而影响活性位点的化学性质及催化剂的失活途径。

一个或许最关键且最常被忽视的挑战，在于动态过程控制的整合。工业系统要求催化剂不仅能耐受原料组成波动与负荷跟随操作，还需具备与实时优化算法协同联动的能力——而这恰恰是学术研究中极少验证的性能。实验室的静态验证与工业的动态需求之间的鸿沟，构成了部署下一代费托合成技术的核心瓶颈。

Q：您如何展望费托合成（FTS）领域的未来发展？在未来几十年，您希望在这一领域看到哪些技术进步或创新？

A：展望未来，我认为费托合成（FTS）技术的发展有三个前沿方向。

①首先是精确产物控制，突破AFS分布的限制。下一代催化剂应能实现窄分布的目标产物，无论是汽油、航空煤油、α-烯烃还是含氧化合物，理想状态下应通过调节催化体系中的部分参数即可选择性地生成多种目标产物。

②其次是能源供给系统的创新。传统反应器依赖燃烧加热或蒸汽伴热提供热能，而新兴方法如电加热可实现快速、局部且高效的能量传递。这不仅提升了能量利用效率，还通过与可再生电力的精准整合，大幅降低碳足迹。此外，该类系统能够在催化剂床层内产生自适应热场和可控的温度梯度，引导反应路径向目标产物发展。

③最后，解析费托合成机理的百年之谜至关重要，这需要在真实反应条件下开展原位（operando and in-situ）研究。它意味着在高压下进行稳态–瞬态动力学分析和同位素标记实验，并联用多种表征技术，以捕捉催化剂在工况下的变化和关键表面中间体。只有缩小模型与实际体系之间的差距，才能实现基于意图而非经验的催化剂设计。

Q：鉴于您在C1 化学领域丰富的学术与工业经验，您能否为刚进入这一领域的青年科研人员提供一些建议？

A：我会鼓励年轻科研人员养成两项基础习惯。首先，在进行研究之前，务必掌握经典知识。许多深刻的科学洞见仍然隐藏在教科书和早期文献中。理解这些历史框架能够帮助你区分真正的新现象与微小的改进。我常提醒学生：“看似前所未有的现象，很可能只是遵循了我们遗忘的经典机理。”其次，珍视动手实验中的偶然发现。催化剂的发现不仅依赖于计划性的筛选，更需要对异常现象保持敏感。我们团队发现微量卤素可以阻断费托合成中的CO2排放，正是因为钢瓶中的CH3Br 杂质意外引发了催化剂的异常行为。如果没有仔细记录这次“失败”的实验，我们可能会将其误认为污染而忽略。因此，要始终问自己：为什么会出现这个异常？许多具有变革性的发现往往源于实验室中细致观察到的意外，而非完美的假设。记住，催化创新需要对基本原理的深刻理解，同时也要有从意外中学习的开放心态。

原文链接: https://www.nature.com/articles/s44286-025-00314-7

来源：北京大学化学与分子工程学院