能源在人類社會的發展中起著至關重要的作用。無論是我們日常生活中的手機、電器、汽車，還是工業生產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，化石能源的主體依然是煤炭，佔比近70%，石油大約佔20%，而天然氣的份額僅為1%～2%。現狀是，國內對能源的需求量大於供應量，尤其是對液體能源（如烯烴）的需求。

烯烴在多個領域發揮著重要作用，包括作為燃料、化工原料、化肥原料以及化學品的中間體等。

因此，開發出製烯烴的新技術，對於我國的經濟和社會發展具有巨大價值。

科學家們提出了一個有趣的問題：能否用我國更富有的煤炭來生產烯烴等液體能源呢？

我國的科研人員已經著手實踐這一想法，他們首先將煤炭轉化為合成氣，然後進一步將合成氣通過費托反應轉化為液體能源，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

01、費托合成：化工領域的“魔法廚房”

我們上文提到的“合成氣”是什麼？

其實，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，我們會把煤炭、石油，甚至生物質等碳氫化合物與氧化劑（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，在化工領域中有著廣泛的應用，是合成液體燃料過程中的重要原料，這些重要過程就包含費托合成。

費托合成又是什麼呢？

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液態燃料和其他有價值的化學品。

這個過程最初是在20 世紀20 年代由德國的兩位化學家弗朗茨·費舍爾（Franz Fischer） 和漢斯·托普施（Hans Tropsch）開創的。

我們可以用一個更生活化的例子來說明費托合成：它可以被想像成一個“魔法廚房”。

在這個廚房裡，我們的合成氣就是“食材”，經過一系列的化學反應（在催化劑的作用下），我們可以製作出“美味佳餚”——液態燃料。

這個“魔法廚房”能夠將簡單的原料轉化為各種有用的產品。

比如，我們可以將一氧化碳想像成西紅柿，氫氣則是雞蛋。

用不同量的西紅柿與雞蛋，通過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，這種技術能夠將我們本地豐富的煤炭、生物質等資源轉化為液態燃料，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。

圖源：Pixabay

02、

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，我們來看一看科學家們做的最重要的工作——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，但其本身並不參與反應。

在費托反應中，催化劑類型會直接影響產物的種類和分佈。

不只費托反應，實際上，在化學工業中，超過85% 的化學反應都依賴催化劑來提高反應的速率。

當我們在處理一些能產生多種產物的複雜反應時，我們希望得到的是盡可能多且純淨的目標產物，但多數催化劑體系的活性和選擇性（選擇性代表產物的單一性）會存在“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，進而導致目標產物的收率不高。

經過近90 年的發展，在合成氣製低碳烯烴的體系中，低碳烯烴產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，一直是該領域科學家們長期關注的問題。

1、初代OXZEO 催化劑：突破極限

如何突破低碳烯烴產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為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 體系中，一氧化碳分子被吸附到金屬氧化物的表面，然後CO 鍵被“剪斷”，在表面形成氧原子和碳原子；

氣相中的氫氣與表面碳原子發生反應，形成烴類中間體，之後這個中間體進入能“篩分子”的分子篩的孔道中，開始進行碳原子的鍊式增長。

這一過程巧妙地利用了分子篩孔道的限制性，通過調控分子篩的孔徑大小，精準調控了反應產物的種類，從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、由德國科學家於上世紀20 年代發明的費托合成路線，從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低碳烯烴1000 噸的工業性試驗，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物製備技術的發展，為綠色能源和化學品生產提供了更為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為17%。

為了破解合成氣製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。

他們發現，蹺蹺板效應出現限制的根源在於，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），還同時催化了兩種副反應（低碳烯烴與其他物質結合生成低價值的烷烴、低碳烯烴群體“手拉手”生成大分子烯烴）。

這個共同的活性中心就好比“蹺蹺板”的支點，一旦轉化率提高，選擇性就會相應下降，從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。

為了解決這個問題，他們對第一代OXZEO 催化劑進行了優化。他們在原分子篩的基礎上，製備了基於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，實現了活性中心的徹底分離，減少了副反應的發生。

這一優化就像是將原先一個支點的“蹺蹺板”模型轉化為兩個獨立的“翅膀”，使得初始反應中間體的形成在和後續碳原子的鍊式增長的兩個過程分別在獨立的位點發生，使反應能夠“自由飛翔”。

在優化後的反應條件下，這種新的催化劑在保持低碳烯烴選擇性大於80%（最高為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（收率指的是實際產量與理論產量的比值）達到48% 的國際最優水平，比第一代OXZEO 催化劑提高了一倍以上。

這一重大突破於本月19 日在線發表在了《科學》雜誌上。

OXZEO合成氣製輕烯烴工藝中的活性-選擇性權衡來源：《科學》雜誌，2023

包信和院士及其團隊成功擴展了OXZEO 催化劑的設計思維，並初步構建了煤經合成氣直接轉化的創新技術平台。

他們實現了對一系列高價值化學品和燃料的定向合成，引領了節水、節能且高效的煤化工新發展方向。

這個突破性的成就徹底顛覆了90 多年來煤化工業堅守的費托路線，成功解決了傳統催化反應中難以同時提高活性與選擇性的“蹺蹺板”難題。

這個反應過程不僅將大幅降低煤化工的水耗和能耗，而且被業界讚譽為煤轉化領域的“里程碑式的重大突破”。

結語

這項新工藝無疑將對化學工業中煤炭和天然氣的開發應用產生深遠的影響。

它開闢了煤化工的新篇章，推動了整個領域向更為高效、綠色和可持續的方向發展。

煥發能源領域的新活力，中國科學家一直在路上。