科技创新年 ｜ Science: 痕量卤素实现费托合成“零碳排放”烯烃生产

来源：【北京大学】

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研究背景

费托合成可将合成气（一氧化碳与氢气）转化为液体燃料或烯烃等高值化学品，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了关键作用。由于铁基催化剂具有低成本、高油品时空产率等优势，目前占据全球三分之二以上的费托合成产能。在中国，所有费托合成工业过程都采用铁基催化剂。

但铁基费托合成过程的“天生短板”也十分突出：在反应过程中极易发生水气变换（WGS）和Boudouard反应生成选择性达18-35%的CO2，这一方面产生大量二氧化碳排放，更为重要的是浪费了宝贵的碳资源。在工业过程中，即使采取循环气工程手段， CO2选择性仍普遍超过16%。

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研究内容

《科学》（Science）杂志近日刊发了一项具有突破性的研究成果：由北京大学化学与分子工程学院马丁教授与中科院山西煤炭化学研究所温晓东研究员主导的科研团队，开发出一项操作简便但效果显著的催化调控策略，可在费托合成（Fischer–Tropsch synthesis, FTS）过程中几乎完全消除二氧化碳副产物，同时大幅提油品或者烯烃的选择性，为绿色合成气转化和低碳化工制造提供了新策略。

通过在合成气中引入百万分之一（ppm）浓度的溴甲烷（CH3Br），研究团队实现了对铁基催化剂表面反应路径的精准控制。实验结果显示，ppm级别的溴甲烷就可以将生成CO2的反应路径关闭，CO2的生成选择性从传统的30%左右降低至不足1%，几乎实现“零排放”；同时，目标产物——烯烃的选择性显著提高至85%左右，烯烃/烷烃比值更是达到约13。这一策略不仅解决了长期困扰铁基FTS的高CO2副产率问题，也打破了高烯烃时空产率与低碳排放之间难以兼得的技术壁垒。

图1| 卤素共进料对费托合成反应性能的影响

温晓东研究员表示：“我们这项工作展现了通过痕量“毒物”调控，实现对复杂催化网络中反应路径的选择性屏蔽。这种策略并非重构新型材料，而是在现有催化剂表面引入轻巧但高效的动态调节因素。正是这种‘轻插拔式’的调控方式，使我们能够高效‘关掉’副反应通道，极大地提升了反应的碳原子利用效率。”

“费托合成一直是中国煤化工和合成气化工的重要支柱，但CO2副产问题是制约其绿色升级的最大挑战之一。”马丁教授解释，“我们的工作提供了一个简单有效的技术解决方案，实现绿色低碳的烯烃或者是油品生产。如果结合绿氢的使用和低CO2排放的煤气化过程，这项技术可以为关系我国能源安全的煤化工过程的脱碳提供新的机遇”

该成果以《Trace-level halogen blocks CO₂ emission in Fischer–Tropsch synthesis for olefins production》为题发表在Science杂志上。

此项成果迅速获得了国际学术界的高度关注与积极评价。Science同期发表题为《Two diverging paths for clean fuel》的展望进行了报道。

同时，Science在其新闻栏目以“Chemical additive slashes carbon emissions when creating synthetic fuels: Advance in Fischer-Tropsch process could make coal-to-liquid plants cleaner”为题对该研究进行了专题报道。

美国化学会Chemical & Engineering News也对该工作进行了报道，并认为“这是一个令人吃惊的重要发现” (It is a surprising, important finding.),“这是一个突破性工作！”(This is a breakthrough work)。英国皇家化学会Chemistry World报道说，“二氧化碳的生成近乎完全被抑制，加之对烯烃产物高达85%的选择性，堪称一项极为振奋人心的突破。这在概念上创新并激动人心” (The near total suppression of carbon dioxide production, coupled with the impressive 85% selectivity for olefin products are an extremely encouraging advance. This is conceptually new and exciting)。

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作者信息

论文的通讯作者包括北京大学马丁教授、中国科学院山西煤化所温晓东研究员和刘兴武博士。宁夏大学刘晰教授, 中科院山西煤化所博士生蔡毅，北京大学已毕业博士生王茂林，博士生谢俊忠、北京工业大学赵姝为共同第一作者。本研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、新基石研究员项目、北京分子科学国家研究中心等项目的资助。

排版 | 郭雨林

审核 | 牛林，刘志博

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