創(chuàng)新，無疑是全國“兩會”的熱門關(guān)鍵詞。就在前天，國際權(quán)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(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）研究員、中國科學(xué)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(fù)旦大學(xué)常務(wù)副校長、教授）和潘秀蓮研究員領(lǐng)導(dǎo)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(fù)合催化劑的作用下，高選擇性地一步反應(yīng)獲得低碳烯烴，破解了傳統(tǒng)煤化工催化反應(yīng)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(yīng)過程的設(shè)計提供了指南。這項成果被業(yè)界譽為“煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)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(xué)》（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�！犊茖W(xué)》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(xué)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(xué)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(dāng)CO單程轉(zhuǎn)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(yīng)，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(yīng)，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(yīng)烴類產(chǎn)物碳原子數(shù)分布廣，目標(biāo)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(fù)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)，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(yīng)，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(yīng)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(yīng)，從原理上開創(chuàng)了一條低耗水（結(jié)構(gòu)上沒有水循環(huán)）進行煤轉(zhuǎn)化的新途徑，成功地回答了李克強總理一直關(guān)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(fù)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(shù)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(biāo)產(chǎn)物（低碳烯烴）。破解了傳統(tǒng)催化反應(yīng)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(yīng)過程的設(shè)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(shè)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(xué)公司都非常感興趣該過程的進一步應(yīng)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(xué)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(zhuǎn)變?yōu)檎嬲纳a(chǎn)力。
當(dāng)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(guān)研究的文章。
相關(guān)項目的研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的資助。
發(fā)布信息
