能源在人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。無(wú)論是我們日常生活中的手機、電器、汽車(chē)，還是工業(yè)生產(chǎn)中的飛機發(fā)動(dòng)機和火箭推進(jìn)器，都離不開(kāi)能源的供應。
在我國，化石能源的主體依然是煤炭，占比近70%，石油大約占20%，而天然氣的份額僅為1%~2%�，F狀是，國內對能源的需求量大于供應量，尤其是對液體能源（如烯烴）的需求。烯烴在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用，包括作為燃料、化工原料、化肥原料以及化學(xué)品的中間體等。因此，開(kāi)發(fā)出制烯烴的新技術(shù)，對于我國的經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展具有巨大價(jià)值。
科學(xué)家們提出了一個(gè)有趣的問(wèn)題：能否用我國更富有的煤炭來(lái)生產(chǎn)烯烴等液體能源呢？我國的科研人員已經(jīng)著(zhù)手實(shí)踐這一想法，他們首先將煤炭轉化為合成氣，然后進(jìn)一步將合成氣通過(guò)費托反應轉化為液體能源，例如汽油、柴油和芳烴等。
費托合成：化工領(lǐng)域的“魔法廚房”
我們上文提到的“合成氣”是什么？其實(shí)，它就是由一氧化碳（CO）和氫氣（H2）組成的混合氣體。怎樣制得這種混合氣體呢？通常，我們會(huì )把煤炭、石油，甚至生物質(zhì)等碳氫化合物與氧化劑（比如氧氣、水蒸氣）進(jìn)行部分氧化和水煤氣變換等化學(xué)反應，這樣就生成了合成氣。這種特殊的氣體，在化工領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的應用，是合成液體燃料過(guò)程中的重要原料，這些重要過(guò)程就包含費托合成。
費托合成又是什么呢？
費托合成（Fischer-Tropsch synthesis）是一種獨特的化學(xué)過(guò)程，其主要目的是將合成氣轉化為液態(tài)燃料和其他有價(jià)值的化學(xué)品。這個(gè)過(guò)程最初是在20世紀20年代由德國的兩位化學(xué)家Franz Fischer和Hans Tropsch開(kāi)創(chuàng )的。
我們可以用一個(gè)更生活化的例子來(lái)說(shuō)明費托合成：它可以被想象成一個(gè)“魔法廚房”。
在這個(gè)廚房里，我們的合成氣就是“食材”，經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(在催化劑的作用下)，我們可以制作出“美味佳肴”——液態(tài)燃料。
這個(gè)“魔法廚房”能夠將簡(jiǎn)單的原料轉化為各種有用的產(chǎn)品。比如，我們可以將一氧化碳（CO）想象成西紅柿，氫氣（H2）則是雞蛋。用不同量的西紅柿與雞蛋，通過(guò)一系列不同的烹飪手段，它們既可以變成西紅柿炒雞蛋，又可以變成西紅柿雞蛋湯，甚至可以變成西紅柿雞蛋餅。
費托合成在能源多樣化和資源高效利用中具有重要的作用。特別是在資源狀況為富煤、缺油、少氣的我國，這種技術(shù)能夠將我們本地豐富的煤炭、生物質(zhì)等資源轉化為液態(tài)燃料，降低我國對外部石油的依賴(lài)，進(jìn)一步提高我國的能源安全，因此這一反應具有非常重要的戰略意義。
催化劑：難以突破的蹺蹺板
了解了費托合成反應的重要性后，我們來(lái)看一看科學(xué)家們做的最重要的工作——改善催化劑。
化學(xué)反應中的催化劑是一種起到促進(jìn)作用的物質(zhì)，它能夠加速反應速率，但其本身并不參與反應。在費托反應中，催化劑類(lèi)型會(huì )直接影響產(chǎn)物的種類(lèi)和分布。不止費托反應，實(shí)際上，在化學(xué)工業(yè)中，超過(guò)85%的化學(xué)反應都依賴(lài)催化劑來(lái)提高反應的速率。
當我們在處理一些能產(chǎn)生多種產(chǎn)物的復雜反應時(shí)，我們希望得到的是盡可能多且純凈的目標產(chǎn)物，但多數催化劑體系的活性和選擇性（選擇性代表產(chǎn)物的單一性）會(huì )存在“蹺蹺板效應”。在蹺蹺板的兩端，一端是反應的活性，一端是反應的選擇性，活性提高了，選擇性就要降低，進(jìn)而導致目標產(chǎn)物的收率不高。
經(jīng)過(guò)近90年的發(fā)展，在合成氣制低碳烯烴的體系中，低碳烯烴產(chǎn)物的選擇性一直難以突破理論極限（58%），且該催化體系存在嚴重的蹺蹺板效應。因此，如何突破極限，打破“蹺蹺板”效應，一直是該領(lǐng)域科學(xué)家們長(cháng)期關(guān)注的問(wèn)題。
初代OXZEO催化劑：突破極限
如何突破低碳烯烴產(chǎn)物選擇性的理論極限呢？
中科院大連化物所的包信和院士及潘秀蓮研究員團隊，想到了一個(gè)巧妙的辦法：把催化劑中的活性組分從傳統的金屬或金屬碳化物變?yōu)榻饘傺趸锖头肿雍Y的復合催化劑——OXZEO。
其中的分子篩是一種特殊的沸石，具有微觀(guān)孔徑均勻的孔道和排列整齊的孔穴，它如同分子級別的篩子，能篩選不同大小和形狀的分子。
在OXZEO體系中，一氧化碳分子被吸附到金屬氧化物的表面，然后C-O鍵被“剪斷”，在表面形成氧原子和碳原子；氣相中的H2與表面碳原子發(fā)生反應，形成烴類(lèi)中間體，之后這個(gè)中間體進(jìn)入能“篩分子”的分子篩的孔道中，開(kāi)始進(jìn)行碳原子的鏈式增長(cháng)。這一過(guò)程巧妙地利用了分子篩孔道的限制性，通過(guò)調控分子篩的孔徑大小，精準調控了反應產(chǎn)物的種類(lèi)，從而打破了合成氣制低碳烯烴的選擇性極限。
這一突破性的研究成果使得當一氧化碳轉化率達到17%時(shí)，低碳烯烴的選擇性能夠高達80%，成功突破了58%的理論極限。同時(shí)，這一催化體系摒棄了傳統的高水耗和高能耗的路徑，顛覆了煤化工一直沿襲的、由德國科學(xué)家于上世紀20年代發(fā)明的費托合成路線(xiàn)，從原理上開(kāi)創(chuàng )了一條低耗水（反應中沒(méi)有水循環(huán)，不排放廢水）進(jìn)行煤經(jīng)合成氣一步轉化的新途徑。
該研究成果于2016年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，而到了2020年，該團隊在工廠(chǎng)完成了年產(chǎn)低碳烯烴1000噸的工業(yè)性試驗，證實(shí)了該過(guò)程在科學(xué)原理和實(shí)際工藝上的可行性，進(jìn)一步推動(dòng)了低碳烯烴產(chǎn)物制備技術(shù)的發(fā)展，為綠色能源和化學(xué)品生產(chǎn)提供了更為可靠和高效的技術(shù)手段。
新一代OXZEO催化劑：超越自我
第一代OXZEO催化劑打破了數百年低碳烯烴58%的理論極限，但是反應物CO的轉化率僅為17%。為了破解合成氣制烯烴反應體系中活性和選擇性的蹺蹺板難題，包信和院士團隊繼續進(jìn)行深入研究，力求開(kāi)發(fā)活性和選擇性能夠同步提升的催化劑。
他們發(fā)現，蹺蹺板效應出現限制的根源在于，當前的分子篩不僅催化了主反應（碳-碳“手拉手”轉化生成低碳烯烴），還同時(shí)催化了兩種副反應（低碳烯烴與其他物質(zhì)結合生成低價(jià)值的烷烴、低碳烯烴群體“手拉手”生成大分子烯烴）。這個(gè)共同的活性中心就好比“蹺蹺板”的支點(diǎn)，一旦轉化率提高，選擇性就會(huì )相應下降，從而難以同時(shí)提高轉化率和選擇性，最終導致低碳烯烴收率較低。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，他們對第一代OXZEO催化劑進(jìn)行了優(yōu)化。他們在原分子篩的基礎上，制備了基于金屬鍺離子的微孔分子篩（GeAPO-18）。這種新型的分子篩減弱了酸性，有效地抑制了低碳烯烴自身聚合生成大分子，以及與其他原子結合的可能性，實(shí)現了活性中心的徹底分離，減少了副反應的發(fā)生。
這一優(yōu)化就像是將原先一個(gè)支點(diǎn)的“蹺蹺板”模型轉化為兩個(gè)獨立的“翅膀”，使得初始反應中間體的形成在和后續碳原子的鏈式增長(cháng)的兩個(gè)過(guò)程分別在獨立的位點(diǎn)發(fā)生，使反應能夠“自由飛翔”。
在優(yōu)化后的反應條件下，這種新的催化劑在保持低碳烯烴選擇性大于80%（最高為83%）的同時(shí)，單程CO的轉化率達到了驚人的85%，實(shí)現了低碳烯烴收率（收率指的是實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值）達到48%的國際最優(yōu)水平，比第一代OXZEO催化劑提高了一倍以上。這一重大突破于本月19日在線(xiàn)發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。
包信和院士及其團隊成功擴展了OXZEO催化劑的設計思維，并初步構建了煤經(jīng)合成氣直接轉化的創(chuàng )新技術(shù)平臺。他們實(shí)現了對一系列高價(jià)值化學(xué)品和燃料的定向合成，引領(lǐng)了節水、節能且高效的煤化工新發(fā)展方向。
這個(gè)突破性的成就徹底顛覆了90多年來(lái)煤化工業(yè)堅守的費托路線(xiàn)，成功解決了傳統催化反應中難以同時(shí)提高活性與選擇性的“蹺蹺板”難題。這個(gè)反應過(guò)程不僅將大幅降低煤化工的水耗和能耗，而且被業(yè)界贊譽(yù)為煤轉化領(lǐng)域的“里程碑式的重大突破”。
結語(yǔ)
這項新工藝無(wú)疑將對化學(xué)工業(yè)中煤炭和天然氣的開(kāi)發(fā)應用產(chǎn)生深遠的影響，它開(kāi)辟了煤化工的新篇章，推動(dòng)了整個(gè)領(lǐng)域向更為高效、綠色和可持續的方向發(fā)展。煥發(fā)能源領(lǐng)域的新活力，中國科學(xué)家一直在路上。
