創(chuàng)新，無疑是全國“兩會”的熱門關鍵詞。就在前天，國際權威的《自然》雜志又確認了一項中國科技的重大突破。
3月4日，全國人大代表、中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）研究員、中國科學院院士包信和透露了這一最新研究成果。
據(jù)悉，包信和院士（現(xiàn)任復旦大學常務副校長、教授）和潘秀蓮研究員領導的團隊在煤氣化直接制烯烴研究中獲得重大突破，顛覆了90多年來煤化工一直沿襲的費托路線（簡稱為F-T），他們摒棄了高水耗和高能耗的水煤氣變換制氫過程，創(chuàng)造性地直接采用煤氣化產(chǎn)生的合成氣（純化后CO和H2的混合氣體），在一種新型復合催化劑的作用下，高選擇性地一步反應獲得低碳烯烴，破解了傳統(tǒng)煤化工催化反應中活性與選擇性此長彼消的“蹺蹺板”難題，為高效催化劑和催化反應過程的設計提供了指南。這項成果被業(yè)界譽為“煤轉化領域里程碑式的重大突破”。
烯烴是現(xiàn)代工業(yè)最重要的原材料之一。我國的烯烴主要由石油煉制獲得，成本和環(huán)境壓力很大,煤化工替代石油化工也是我國近年探索的一種能源發(fā)展的新路徑。
該研究成果于3月4日在美國《科學》（Science）雜志上發(fā)表，過程已申報中國發(fā)明專利和國際PCT專利。《科學》雜志同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”（Surprised by Selectivity）為題的專家評述文章，認為該過程未來在工業(yè)上將具有巨大的競爭力。
1923年，由德國科學家Fischer（費舍爾）和Tropsch（托普希）發(fā)明了煤經(jīng)合成氣生產(chǎn)高碳化學品和液體燃料的費-托過程。盡管該過程并不完美，除產(chǎn)生大量的二氧化碳以外，還消耗大量的水，且產(chǎn)物選擇性差，后續(xù)處理消耗大量的能量，然而國際能源和化工界卻一直認為該過程不可替代。
如今，這一過程被中科院大連化物所的研究人員顛覆——他們摒棄了高水耗和高能耗的水煤氣變換制氫過程，直接采用煤氣化產(chǎn)生的混合氣體（經(jīng)純化），高選擇性地獲得低碳烯烴。當CO單程轉化率為17%時，低碳烴類產(chǎn)物的選擇性達到94%，其中低碳烯烴（乙烯、丙烯和丁烯）的選擇性大于80%。打破了傳統(tǒng)費-托合成過程低碳烯烴的選擇性最高為58%的極限（SF極限）。
傳統(tǒng)的費-托（F-T）過程采用金屬（還原態(tài)）作催化劑。CO分子在金屬催化劑表面被活化解離成C原子和O原子，C原子和O原子與吸附在催化劑表面的氫發(fā)生反應，形成亞甲基（CH2）中間體，同時放出水分子。亞甲基中間體通過遷移插入反應，在催化劑表面進行自由聚合，生成含不同碳原子數(shù)（從一到三十，有時甚至到上百個碳原子）的烴類產(chǎn)物。整個反應烴類產(chǎn)物碳原子數(shù)分布廣，目標產(chǎn)物的選擇性低。同時，這一過程需要消耗大量氫氣來移去金屬催化劑表面CO解離生成的O原子，而這些寶貴的氫氣是通過水煤氣變換（CO+H2O H2+CO2）獲得的，水煤氣變換過程是一個高能耗的過程，還要釋放出大量CO2。
大連化物所研究人員創(chuàng)制的過程采用部分還原的復合氧化物作催化劑，CO分子在催化劑氧缺陷位上吸附并解離，氣相氫分子選擇性地與解離生成的C原子反應生成亞甲基自由基，而催化劑表面CO解離生成的氧原子傾向于與另一個CO反應，形成CO2。與傳統(tǒng)的F-T過程不同，在氧缺陷位產(chǎn)生的亞甲基自由基，不在催化劑表面停留或發(fā)生表面聚合反應，而是迅速進入分子篩孔道，在孔道限域環(huán)境中進行擇形偶聯(lián)反應，定向生成低碳烯烴，大大提高了產(chǎn)物的選擇性。通過對分子篩孔道和酸性質(zhì)的調(diào)控，可以實現(xiàn)產(chǎn)物分子的可控調(diào)變。
這一突破，通過以CO替代H2來消除烴類形成中多余的氧原子，在反應不改變CO2總排放的情況下，摒棄了高耗能和高耗水的水煤氣變換反應，從原理上開創(chuàng)了一條低耗水（結構上沒有水循環(huán)）進行煤轉化的新途徑，成功地回答了李克強總理一直關心的“能不能不用水或少用水進行煤化工”的問題。
同時，包信和院士的團隊通過創(chuàng)造性將氧化物催化劑與分子篩復合，巧妙地實現(xiàn)了CO活化和中間體偶聯(lián)等兩種催化活性中心的有效分離，把傳統(tǒng)費托技術上“漫無目的、無拘無束”生長的“自由基”控制在一個“籠子”（分子篩）里，通過限制其行為，使其最終變成我們想要的目標產(chǎn)物（低碳烯烴）。破解了傳統(tǒng)催化反應中活性與選擇性此長彼消的“蹺蹺板”難題，為高效催化劑和催化反應過程的設計提供了指南。
包信和院士團隊的新發(fā)明的過程除了節(jié)水和在工藝上降低CO2排放（縮短流程、降低能耗）外，還具有很高的經(jīng)濟效益。據(jù)中國石化工程建設有限公司（SEI）初步評估，在現(xiàn)有的條件下，該過程的內(nèi)部收益率（IRR）可達14%以上。
“科技要為‘能源革命’提供支撐。”包信和表示，國內(nèi)外多家化學公司都非常感興趣該過程的進一步應用推廣。經(jīng)認真評估和協(xié)商，目前大連化物所已與國內(nèi)重要化工企業(yè)和國外著名化學公司達成初步協(xié)議，著手在催化劑制備和工藝過程開發(fā)等方面共同合作，力爭盡快實現(xiàn)工業(yè)示范和產(chǎn)業(yè)化，努力將這一原創(chuàng)性成果轉變?yōu)檎嬲纳a(chǎn)力。
當從事費托過程制烯烴（FTTO）研究二十多年的德國BASF公司專家Schwab博士了解到這一過程的基本情況后，沮喪地說：“這個點子為什么不是我們先想到的？”包信和院士不無自豪地回答道：“你們想到的點子已經(jīng)很多了，也該輪到我們了”。
說這話的底氣來自于一個優(yōu)秀的研究團隊幾十年的堅守和中國日益提高的科技研究能力的支撐：僅僅這一項研究，該團隊就耗費了九年多的時間，并與國內(nèi)包括合肥同步輻射光源在內(nèi)的多家科研單位合作，使用了多種自主研制的高端研究裝置。在這期間，團隊除了申報了多件中國發(fā)明專利和國際PCT專利以外，沒有公開發(fā)表一篇相關研究的文章。
相關項目的研究得到了國家自然科學基金委員會、科學技術部和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項的資助。
發(fā)布信息
