实验室克级→1500 吨/年！清华化工团队 Science 成果走向产业化

导读

近日，中天合创能源有限责任公司1500吨/年合成气一步法制烯烃项目进行公示，据悉，该项目由清华大学化工系骞伟中教授团队提供核心技术支持，团队研发新型催化剂，简化烯烃制备的反应流程，大幅提升生产效率与整体工段的环境效益。该团队相关研究成果，2025年10月以“高氢原子经济性的合成气制烯烃”为题在国际顶级学术期刊Science上发表。

１、合成气一步法制烯烃项目

近日，中天合创能源有限责任公司1500吨/年合成气一步法制烯烃项目进行了环境影响评价公示，项目位于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗，项目建设内容主要包括一步法合成气制烯烃侧线中试装置。

据公开报道，“一步法制烯烃”技术项目由中天合创能源有限责任公司化工分公司建设，联合清华大学化工系骞伟中教授团队共同提供核心技术支持，是国际新兴的催化技术创新项目。项目建设年限为2024年至2026年，计划投资5000万元，试验规模达1500吨/年。 该技术通过优化工艺直接跨越甲醇合成环节，省去高压甲醇合成反应器、甲醇精制单元及MTO低压反再系统等大型装备，具有CO转化率高、烯烃选择性高、收率高的显著特点，被形象称为“煤制烯烃PLUS”。相较于传统煤制甲醇、甲醇制烯烃工艺，同等规模下可降低投资25%、能耗50%，减少CO₂排放和节水均超30%，为煤炭清洁高效利用提供了低碳新路径。

２、清华大学化工系原子经济调控策略：为全球碳中和目标贡献清华方案

近日，清华大学官网首页以《化工系原子经济调控策略：为全球碳中和目标贡献清华方案》为题，详细报道了骞伟中教授团队这项技术从实验室走向产业化的过程。

你知道日常生活中的衣服、鞋子、塑料袋以及家用的洗涤剂、医用一次性工具有什么共性吗？它们其实都是烯烃制品。

烯烃指的是分子中含有碳碳双键，由碳元素和氢元素组成的不饱和烃。其精妙之处在于它的分子式中那把“微观的钩子”——碳碳双键。这个双键赋予了它极强的化学活性，让无数微小分子能像积木一样紧密勾连、聚合，最终形成各种物质。烯烃构成了现代石化工业的基础，并渗透到现代人日常生活的方方面面，如何高效地制备烯烃是能源领域的重要研究课题。

在此背景下，清华大学化学工程系骞伟中教授、崔超婕副研究员团队研制出一种新型催化剂，能够明显提高合成气制烯烃的效率，减少制备过程中工业废物的排放，提升操作安全性。该成果入选2025年清华大学最受师生关注的年度亮点成果之一。

一场关于氢原子的昂贵错位

目前国际上主要用石油制备烯烃，但中国的石油储备匮乏，对外依存度高，而煤炭资源相对丰富，所以如何高效地用煤来制备烯烃成为我国能源利用研究的重要方向。在这一领域，通过费托合成反应，可用煤炭、天然气、生物质甚至副产物二氧化碳（CO2）制成轻质烯烃。因此，费托合成被视为一种不依赖石油化石资源生产液态燃料和化工基础原料的潜在途径，是当前的热门研究方向之一。

费托合成在实际操作中非常复杂，诸多化学反应会同时发生，其中可以产出目标产物的反应是主反应，在整个化学反应中发生最多；其他会产生另外产物的反应则为副反应。通常，副反应会浪费原料，需要被抑制。

在整体反应中，碳原子、氢原子的转化效率是影响烯烃产量的重要因素。在氢原子的转化方面，原料里一氧化碳自带的氧原子会同时参与主反应与副反应。主反应中，氧原子在某种程度上会与氢原子结合，生成不必要的水。而在被称为水煤气变换的一项副反应中，氧原子可以生成二氧化碳，同时再生氢气，进而提高氢原子在目标烃类中的掺入比。

骞伟中介绍，制备烯烃要先将煤炭制成合成气，再通过主反应把合成气制成甲醇，最后通过分离提纯等加工手段把甲醇转换为烯烃。这种技术路线对氢原子的有效利用率仅为43%左右。想要提升烯烃产量，工厂在生产过程中就必须额外投入更多氢气，而氢气价格昂贵，每吨价格高达1.5万元至2万元。

针对氢原子的浪费问题，研究团队创造性地设计出一种新型核壳结构催化剂，它能够极大地减少反应过程中氢原子的浪费，提高烯烃制备效率。

这种催化剂如同一颗神奇的胶囊。在这颗胶囊内部大约几十纳米大小的空间里，有一座精密配合的“工厂”——催化剂的内核为交生碳化铁，主要负责进行合成气转化主反应。内核表面包覆有一层疏松的四氧化三铁壳层，可以催化水煤气变换副反应，将内核中进行主反应产生的水原位转化为氢气，再用于合成烯烃。

新型核壳结构催化剂结构示意图。

这种空间分离的双功能设计，在微观界面上整合了水煤气变换与合成气制烯烃功能，将氢原子经济性从传统路线的约43%提高至66%～86%；同时，外壳巧妙地隔离了水分子的过度氧化副作用。该催化剂表现出极强的耐受力，连续稳定运行时间可达500小时以上。

该研究成果以“高氢原子经济性的合成气制烯烃”为题，于2025年10月31日在《科学》（Science）期刊发表。骞伟中、化工系副研究员崔超婕为论文共同通讯作者，化工系2022级博士生高昶、2022届博士生毕业生宋文龙、2023届博士毕业生王挥遒为论文共同第一作者。

一次逆向智慧的厚积薄发

关注氢原子转化效率是该成果的一大创新突破点，这一思路是在研究团队不断深化行业认知、调整研究思路的过程中诞生。

事实上，费托合成过程中必然会生成大量低价值的副产物。此前，科学界主要关注如何提升碳原子转化效率，并取得重要进展，骞伟中教授带领的团队也曾长期从这个视角推动合成气制烯烃研究。但团队逐渐发现，“如果只盯着反应的一小部分，实验室中的实验数据结果确实很亮眼。但在真正制备烯烃时，产业端依旧面临高额成本问题，是算不通账的。”骞伟中说。具体而言，此前的研究尽管提高了碳原子转化率，但同样原料可生成的烯烃产量并没有切实提升。更重要的是，反应的副产物水中常含有有机物残留、粉尘颗粒，属于工业废水。如想让排出的废水符合环保要求，工厂需要投入大量精力和成本进行净化处理。

为让研究更符合化工应用实际，研究团队不再紧盯产品选择性这项单一指标，也不再只关注主反应以及碳原子经济性，而是综合考量整个反应过程，同时关注氢原子的转化效率。

在骞伟中看来，科学突破有时来自对经典的重新审视，是过往研究经验的厚积薄发。在思考研究问题时，骞伟中经常翻阅《煤炭间接液化》这本经典现代煤化工技术丛书，书中写道：“催化剂在反应过程中会因为水分子的腐蚀而失活，原本坚硬的催化剂会变成一种‘内层是氧化铁、外层是碳化铁’的结构。”这句话给了骞伟中破局的灵感：既然无法阻止水的生成，不如在催化剂内部构建一个“微型循环工厂”，让生成的废水在跑出去之前原地变回原料氢气。

“当我们用逆向思维来思考一件看似负面的事，可以从中提炼出有用的信息。”骞伟中说。于是他开始带领团队探索设计“内层是碳化铁、外层是氧化铁”的核壳结构催化剂，从理论推理到实验设计，脚踏实地地实现这个科学猜想。

骞伟中表示，科研并非只是在实验室里操作精密仪器，而是大脑中对“真问题”的洞察与定义。“寻找行业的共性问题，思考如何定义问题，再带领团队解决问题，这是我作为课题组负责人最大的责任。”

致力于为全球碳中和目标贡献清华方案

利用新型催化剂，制备烯烃的反应流程被简化，可以提升烯烃的生产效率与整体工段的环境效益。不仅如此，骞伟中还介绍：“传统工业中，一个年产60万吨烯烃的反应器往往会伴生约120万吨废水。如果废水处理量能减掉四分之三，反应装置就能造得更小，工厂作业也会更安全。我们正在朝着这个目标努力。”

目前，研究团队已实现了吨级催化剂的批量制备，正在建设1500吨级的工业中试装置。从实验室的克量单位到工厂里的吨级生产，这不仅是产量级别上的跳跃，更是对工艺控制的精确考验。对此，骞伟中打了一个生动的比方：“催化剂配方就像炒菜，先加盐还是后加糖，味道完全不同。我们要做的就是让几吨重的‘大锅菜’，在混合与反应环境上尽量接近实验室里的‘小灶’，保证大样也能出精品。”

在“富煤贫油”的资源条件下，该成果让利用煤炭制备烯烃有了更经济的途径，减少了对进口石油的依赖。此外，它还可以利用杨树枝、秸秆等生物质资源，能完美兼容中国产量领先的“绿氢”（由风、光电解水制得），未来有望让清洁能源以最高效率转化为生产力，为全球碳中和目标贡献清华方案和中国智慧。

３、骞伟中、崔超婕团队合成气制烯烃Science

合成气直接制备烯烃技术是近年来国际上新兴的催化技术路线，旨在通过多功能催化剂将合成气制甲醇及甲醇制烯烃等功能集成，以缩短流程、节约投资、降低物耗及能耗，对于我国现代煤化工的高质量发展意义重大。2022年以来，该技术被国家发改委、工信部多次发文倡导大力发展。通常，烯烃合成要求原料中H2/CO（氢碳比）>2，导致煤基合成气在水煤气变换工段的CO2排放量很大。另外，原料中的氢元素与氧元素很大程度上生成了水，相当于把最昂贵的原料成分（氢气）变成了废水。

近日，清华大学化工系骞伟中、崔超婕团队面向过程高转化率、高产品收率与低排放的协同需求，针对传统催化剂易被水氧化（而失效）的缺点，报道了一种钠改性的FeCx@Fe3O4核壳催化剂，在微观界面上整合了水煤气变换与合成气制烯烃功能。借助前者将过程中产生的水原位转化为氢气，用于合成烯烃，从而将目的产品的氢原子经济性提高至66%~86%，同时显著抑制了水对催化剂的过度氧化副作用。其过程规律是，原料氢碳比（1~3之间）越低，氢原子经济性越高。这些数值远超传统的水煤气变换-甲醇合成-甲醇制烯烃路线的理论氢原子经济性（50%）及实际数值（43%~47%）。团队用同位素示踪和阻断水煤气变换途径的实验证实了该耦合机制，且定量确定了催化剂上水煤气变换反应的贡献，为该类催化剂的理性设计提供了基础，并在阻断水煤气变换途径实验中，证明了合成气制备烯烃途径生成CO2的概率很小。

研究团队证明，较高的氢原子经济性与催化剂两种功能的活性匹配度密切相关。水煤气变换反应在低温下就能启动，而制烯烃的活性则依赖于较高的反应温度。在350℃、2MPa的反应条件下，采用氢碳比为1.5原料时，CO单程转化率约为95%，烯烃选择性超过75%（基于烃类产物），烃产率达33wt%（基于原料）。经过500小时连续反应测试，催化剂性能稳定。

在水煤气变换（WGS）与合成气制烯烃（STO）的耦合作用下，氢原子经济性和烯烃收率都得到提升

由于在提升合成气转化的氢原子经济性方面的突破，该催化剂使对应的水煤气变换-合成气制烯烃耦合路线，与传统的水煤气变换-甲醇合成-甲醇制烯烃路线相比，减少了总蒸汽消耗量、总废水生成量与总CO2排放量，完全环境因子降低了46%。该团队正在推进该技术的中试放大，以期为现有煤制烯烃的生产技术提供替代方案。同时，由于高效利用氢气原料的能力，该技术也可能推进碳中和时代由可生电力驱动的绿氢（昂贵）、CO2电解制CO的新型原料的合成气制备烯烃路线的相关研究。

研究成果以“高氢原子经济性的合成气制烯烃”(Conversion of syngas into olefins with high hydrogen atom economy)为题，于10月30日在线发表于《科学》（Science）。

清华大学化工系2022级博士生高昶、2022届博士生毕业生宋文龙、2023届博士毕业生王挥遒为论文共同第一作者。清华大学化工系教授骞伟中、助理研究员崔超婕为论文共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划项目、内蒙古科技支撑计划项目、鄂尔多斯市科技“突围”项目、内蒙古自治区先进制造业集群奖补项目等的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aea0774

来源：清华大学、化学加、乌审旗发布