費托合成高碳排放難題被攻克

科學導報訊 今年是費托合成發現100周年——這個能將煤炭、天然氣、生物質轉化而來的合成氣（一氧化碳和氫氣）變為液體燃料或烯烴等寶貴化學品的工藝，是現代能源化工的基石之一。但這一“百年反應”也一直面臨一個老大難問題：高碳排放。令人振奮的是，中國科學院山西煤炭化學研究所溫曉東研究員團隊與北京大學馬丁教授團隊合作，日前在國際學術期刊《科學》上發表突破性成果，成功破解了“費托合成高碳排放”百年世界難題。研究發現，在將合成氣轉化為油品或是烯烴的費托合成反應中，只需在其中“加入”極其微量的鹵素化合物，就能顯著改變鐵基催化劑的反應行為：幾乎不產生二氧化碳，同時將合成烯烴和液體燃料的效率提升至新高度，為我國推動煤、天然氣等碳資源的綠色轉化，提供了切實可行新路徑。

馬丁介紹，早在1925年，德國化學家費舍爾和特羅普施就首次提出：通過催化劑，可將合成氣轉化為液體燃料或高值化學品。但二氧化碳副產問題是制約其綠色升級的最大挑戰之一。“對此，我們提出了一個出人意料的簡單方案：在反應氣體中，加入百萬分之一濃度的鹵素化合物（如溴甲烷、碘甲烷等），就像在烹飪中加入一滴‘分子級調味料’。這個微小的添加量，竟然帶來了巨大的反應差異。”

溫曉東告訴筆者，這些鹵素分子在反應中不會直接轉化，而是以“動態調控者”的身份存在：它們在催化劑表面不斷吸附、解離、再結合，像“電子開關”一樣調節鐵催化劑的表面狀態，阻斷催化劑表面的水分子活化，從而阻斷一氧化碳和水生成二氧化碳。更關鍵的是，這種調控方式完全不改變原有催化劑結構、無需更換設備，只需引入微量氣體，就能實現“即插即用”的性能躍升。這種策略不僅簡潔高效，還具有極強的工程適應性。

實驗數據顯示，傳統鐵基費托反應中，二氧化碳占比常高達30%左右；而在“鹵素調控”下，這一數值可降至1%以下，幾乎可以忽略不計。同時，生成的高附加值烯烴比例提升至80%以上，遠超行業平均水平。“這意味著在相同原料投入下，幾乎所有碳原子都被轉化為有用產物，不再白白流失為二氧化碳。這一‘低碳+高效’的雙重提升，為實現高碳資源利用率、高選擇性產品輸出的清潔化工路線，提供了技術突破口。”馬丁說。

據了解，目前，研究團隊已在實驗室中驗證了多種鹵素氣體的效果，并正與相關企業合作開展中試放大、長期穩定性評估，力爭將這一綠色低碳策略快速推向工業化。“未來，隨著這一技術逐步推廣，將有望顯著提升我國合成氣利用、煤化工等產業的綠色轉型水平，為全球能源結構優化貢獻‘中國方案’。”溫曉東表示。