煤制烯烃技术新突破：产量翻三倍，碳排放降至1%

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

撰文| Bell

编辑 | 小澜

→这是《环球零碳》的1831篇原创

在能源化工领域，对高效、低碳合成路径的追求已经科学研究的核心驱动力。

近日，山西煤化所联合北京大学研究团队共同开发出一种新型煤化工技术，不仅将目标产物烯烃产量提升至三倍以上，还几乎完全抑制了二氧化碳的生成。

在这项发表在《科学》杂志的最新研究，首次在传统铁基费托合成过程中实现了二氧化碳选择性低于1%、烯烃选择性超过85%的重大突破。

这一成果不仅为解决行业“高碳排放”难题提供了创新方案，也为煤炭等传统碳资源的高值化、清洁化利用开辟了全新路径。

来源：Science

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，该过程长期面临一个严峻挑战：传统铁基催化剂在促进一氧化碳加氢生成烃类的同时，还会不可避免地催化附加反应，释放出大量二氧化碳气体。

工业实践中，二氧化碳选择性通常为16%至35%，这不仅造成宝贵的碳资源以温室气体形式流失，更严重制约了整体碳原子经济性与过程环境效益。

针对这一关键问题，由北京大学与中国科学院山西煤炭化学研究所组成的联合研究团队做出了一个大胆的尝试——向反应体系中引入微量的“毒物”。

在催化领域，某些物质（如硫、卤素）常因会使催化剂“中毒”失活而被严格规避。

但这一次，研究人员反其道而行之，尝试在合成气中混入极少量的卤代甲烷，例如溴甲烷，浓度低至仅百万分之二十（20 ppm）。

实验结果令人振奋：这一微量添加剂的引入，使得铁基催化剂上二氧化碳的选择性从约30%急剧下降至1%以下，几乎实现了“零碳排放”。

与此同时，原本被副反应消耗的碳被更多地导向了目标产物——烯烃的选择性从约23%飙升到约85%，烯烃与价值较低的烷烃的比例也从1.3:1跃升至约13:1，实现大幅提高。

图说：卤素共进料对费托合成反应性能的影响

来源：DOI：10.1126/science.aea1655

换算成更直观的工业语言，这意味着从每吨原料煤中，能够获取的有用化工产品产量得到了数倍提升。

那么，这微乎其微的溴原子，究竟在催化剂表面施展了怎样的“魔法”？

为深入阐释这一现象的微观机制，研究团队综合运用了多种先进的原位表征技术与理论计算方法。

原来，在铁催化剂表面，碳元素“误入歧途”生成二氧化碳气体主要有两条歧路：

一是“水煤气变换反应”，水蒸气与一氧化碳反应生成二氧化碳；二是“布杜阿尔反应”，一氧化碳与氧气重组生成二氧化碳。

图说：费托合成与副反应

来源：DOI：10.1126/science.aea1655

微量的溴元素选择性地锚定在催化剂最活跃的位点上，形成了一层动态的“保护罩”。这层罩子并非常规理解的物理阻挡，而是从电子层面和空间结构上，巧妙地改变了反应路径。

具体而言，溴元素首先显著抑制了水分子在催化剂上的解离过程，从而关闭了水煤气变换反应生成二氧化碳的反应开关。

接着，它又干扰了一氧化碳分子与表面氧原子的结合，让布杜阿尔反应近乎停摆。

更绝的是，这层“溴罩”还对另一个不受欢迎的反应——烯烃加氢（这会使珍贵的烯烃变成价值较低的烷烃）——设置了“路障”。

它通过引入电子效应和微小的空间位阻，让氢原子更难接近吸附在催化剂上的烯烃分子，使得烯烃更倾向于脱附成为最终产品，而非被进一步加氢。

这种“分子手术式”的干预，在不改变主体催化剂组成的前提下，实现了对复杂反应网络的智能导向。

这项策略的魅力还在于其惊人的简洁性与普适性。

它无需从头研发一种全新的、复杂的催化剂材料，而仅仅是在现有的、成熟的工业反应体系中，添加一个微量的“调节剂”，即可对催化剂工作状态进行动态、可逆的精细调整。

研究显示，这一策略对不同晶相的铁碳化物乃至商业铁基催化剂都有效，展现了强大的工业化应用潜力。

在长达450小时的连续测试中，催化剂性能稳定，始终保持着高烯烃产出和近零的二氧化碳排放，这为其走出实验室、迈向工厂奠定了坚实的基石。

图说：铁基催化剂与卤素共进料在450小时内表现出稳定性

来源：DOI：10.1126/science.aea1655

当然，我们仍需认识到，这项技术突破的本质是极大提升了从碳资源到目标产品的原子利用效率，而非使化石燃料本身转化为“零碳”能源。

它的重要意义在于，为以煤炭为代表的传统能源的清洁、高效转化提供了切实可行的技术选项。

该成果有力论证，通过科技创新，完全可以在提升工业产能与经济效益的同时，显著降低煤炭化工生产过程的环境足迹。

参考资料

[1]https://www.sxicc.ac.cn/news/kjcx/202510/t20251031_8000136.html

[2]https://news.pku.edu.cn/jxky/13e8a43c38994b9989f29540b4f06b28.htm

[3]https://interestingengineering.com/energy/china-method-triples-olefin-output-from-coal

[4]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea1655

热门阅读

（点击图片跳转阅读）