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重大突破！我國科學家找到煤變“水”新方法，構築能源領域新裏程碑

來源：科普中國

發布時間：2023-05-23

瀏覽次數：9808

版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

能源在人類社會(hui) 的發展中起著至關(guan) 重要的作用。

無論是我們(men) 日常生活中的手機、電器、汽車，還是工業(ye) 生產(chan) 中的飛機發動機和火箭推進器，都離不開能源的供應。

在我國，化石能源的主體(ti) 依然是煤炭，占比近 70%，石油大約占 20%，而天然氣的份額僅(jin) 為(wei) 1%～2%。

現狀是，國內(nei) 對能源的需求量大於(yu) 供應量，尤其是對液體(ti) 能源（如烯烴）的需求。

烯烴在多個(ge) 領域發揮著重要作用，包括作為(wei) 燃料、化工原料、化肥原料以及化學品的中間體(ti) 等。

因此，開發出製烯烴的新技術，對於(yu) 我國的經濟和社會(hui) 發展具有巨大價(jia) 值。

科學家們(men) 提出了一個(ge) 有趣的問題：能否用我國更富有的煤炭來生產(chan) 烯烴等液體(ti) 能源呢？

我國的科研人員已經著手實踐這一想法，他們(men) 首先將煤炭轉化為(wei) 合成氣，然後進一步將合成氣通過費托反應轉化為(wei) 液體(ti) 能源，例如汽油、柴油和芳烴等。

乙烯（最簡單的烯烴）的3D模型。來源：維基百科

費托合成：化工領域的“魔法廚房”

我們(men) 上文提到的“合成氣”是什麽(me) ？

其實，它就是由一氧化碳（CO）和氫氣（H₂）組成的混合氣體(ti) 。

怎樣製得這種混合氣體(ti) 呢？

通常，我們(men) 會(hui) 把煤炭、石油，甚至生物質等碳氫化合物與(yu) 氧化劑（比如氧氣、水蒸氣）進行部分氧化和水煤氣變換等化學反應，這樣就生成了合成氣。

這種特殊的氣體(ti) ，在化工領域中有著廣泛的應用，是合成液體(ti) 燃料過程中的重要原料，這些重要過程就包含費托合成。

費托合成又是什麽(me) 呢？

費托合成（Fischer-Tropsch synthesis）是一種獨特的化學過程，其主要目的是將合成氣轉化為(wei) 液態燃料和其他有價(jia) 值的化學品。

這個(ge) 過程最初是在 20 世紀 20 年代由德國的兩(liang) 位化學家弗朗茨·費舍爾（Franz Fischer）和漢斯·托普施（Hans Tropsch）開創的。

我們(men) 可以用一個(ge) 更生活化的例子來說明費托合成：它可以被想象成一個(ge) “魔法廚房”。

在這個(ge) 廚房裏，我們(men) 的合成氣就是“食材”，經過一係列的化學反應（在催化劑的作用下），我們(men) 可以製作出“美味佳肴”——液態燃料。

這個(ge) “魔法廚房”能夠將簡單的原料轉化為(wei) 各種有用的產(chan) 品。

比如，我們(men) 可以將一氧化碳想象成西紅柿，氫氣則是雞蛋。

用不同量的西紅柿與(yu) 雞蛋，通過一係列不同的烹飪手段，它們(men) 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(wei) 富煤、缺油、少氣的我國，這種技術能夠將我們(men) 本地豐(feng) 富的煤炭、生物質等資源轉化為(wei) 液態燃料，降低我國對外部石油的依賴，進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(yi) 。

催化劑：難以突破的蹺蹺板

了解了費托合成反應的重要性後，我們(men) 來看一看科學家們(men) 做的最重要的工作——改善催化劑。

化學反應中的催化劑是一種起到促進作用的物質，它能夠加速反應速率，但其本身並不參與(yu) 反應。

在費托反應中，催化劑類型會(hui) 直接影響產(chan) 物的種類和分布。

不隻費托反應，實際上，在化學工業(ye) 中，超過 85% 的化學反應都依賴催化劑來提高反應的速率。

當我們(men) 在處理一些能產(chan) 生多種產(chan) 物的複雜反應時，我們(men) 希望得到的是盡可能多且純淨的目標產(chan) 物，但多數催化劑體(ti) 係的活性和選擇性（選擇性代表產(chan) 物的單一性）會(hui) 存在“蹺蹺板效應”。

在蹺蹺板的兩(liang) 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，進而導致目標產(chan) 物的收率不高。

圖庫版權圖片，不授權轉載

經過近 90 年的發展，在合成氣製低碳烯烴的體(ti) 係中，低碳烯烴產(chan) 物的選擇性一直難以突破理論極限（58%），且該催化體(ti) 係存在嚴(yan) 重的蹺蹺板效應。

因此，如何突破極限，打破“蹺蹺板”效應，一直是該領域科學家們(men) 長期關(guan) 注的問題。

1.初代 OXZEO 催化劑：突破極限

如何突破低碳烯烴產(chan) 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(ge) 巧妙的辦法：

把催化劑中的活性組分從(cong) 傳(chuan) 統的金屬或金屬碳化物變為(wei) 金屬氧化物和分子篩的複合催化劑——OXZEO。

其中的分子篩是一種特殊的沸石，具有微觀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(ti) 係中，一氧化碳分子被吸附到金屬氧化物的表麵，然後 C-O 鍵被“剪斷”，在表麵形成氧原子和碳原子；

氣相中的氫氣與(yu) 表麵碳原子發生反應，形成烴類中間體(ti) ，之後這個(ge) 中間體(ti) 進入能“篩分子”的分子篩的孔道中，開始進行碳原子的鏈式增長。

這一過程巧妙地利用了分子篩孔道的限製性，通過調控分子篩的孔徑大小，精準調控了反應產(chan) 物的種類，從(cong) 而打破了合成氣製低碳烯烴的選擇性極限。

OXZEO催化合成氣製烯烴的反應過程

來源：《科學》雜誌，2016

這一突破性的研究成果使得當一氧化碳轉化率達到 17% 時，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，這一催化體(ti) 係摒棄了傳(chuan) 統的高水耗和高能耗的路徑，顛覆了煤化工一直沿襲的、由德國科學家於(yu) 上世紀 20 年代發明的費托合成路線，從(cong) 原理上開創了一條低耗水（反應中沒有水循環，不排放廢水）進行煤經合成氣一步轉化的新途徑。

該研究成果於(yu) 2016 年發表在《科學》雜誌上，而到了 2020 年，該團隊在工廠完成了年產(chan) 低碳烯烴 1000 噸的工業(ye) 性試驗，證實了該過程在科學原理和實際工藝上的可行性，進一步推動了低碳烯烴產(chan) 物製備技術的發展，為(wei) 綠色能源和化學品生產(chan) 提供了更為(wei) 可靠和高效的技術手段。

2.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，但是反應物一氧化碳的轉化率僅(jin) 為(wei) 17%。

為(wei) 了破解合成氣製烯烴反應體(ti) 係中活性和選擇性的蹺蹺板難題，包信和院士團隊繼續進行深入研究，力求開發活性和選擇性能夠同步提升的催化劑。

他們(men) 發現，蹺蹺板效應出現限製的根源在於(yu) ，當前的分子篩不僅(jin) 催化了主反應（碳-碳“手拉手”轉化生成低碳烯烴），還同時催化了兩(liang) 種副反應（低碳烯烴與(yu) 其他物質結合生成低價(jia) 值的烷烴、低碳烯烴群體(ti) “手拉手”生成大分子烯烴）。

這個(ge) 共同的活性中心就好比“蹺蹺板”的支點，一旦轉化率提高，選擇性就會(hui) 相應下降，從(cong) 而難以同時提高轉化率和選擇性，最終導致低碳烯烴收率較低。

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，他們(men) 對第一代 OXZEO 催化劑進行了優(you) 化。他們(men) 在原分子篩的基礎上，製備了基於(yu) 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，有效地抑製了低碳烯烴自身聚合生成大分子，以及與(yu) 其他原子結合的可能性，實現了活性中心的徹底分離，減少了副反應的發生。

這一優(you) 化就像是將原先一個(ge) 支點的“蹺蹺板”模型轉化為(wei) 兩(liang) 個(ge) 獨立的“翅膀”，使得初始反應中間體(ti) 的形成在和後續碳原子的鏈式增長的兩(liang) 個(ge) 過程分別在獨立的位點發生，使反應能夠“自由飛翔”。

在優(you) 化後的反應條件下，這種新的催化劑在保持低碳烯烴選擇性大於(yu) 80%（最高為(wei) 83%）的同時，單程一氧化碳的轉化率達到了驚人的 85%，實現了低碳烯烴收率（收率指的是實際產(chan) 量與(yu) 理論產(chan) 量的比值）達到 48% 的國際最優(you) 水平，比第一代 OXZEO 催化劑提高了一倍以上。

這一重大突破於(yu) 本月 19 日在線發表在了《科學》雜誌上。