我國煤化工研究獲里程碑式突破 煤制烯烴將告別高耗水

國際化工界90多年來(lái)一直沿襲、被視為不可替代的費托（F-T）過(guò)程，如今被中國科學(xué)家顛覆——他們摒棄了高水耗和高能耗的水煤氣變換制氫過(guò)程，創(chuàng )造性地直接采用煤氣化產(chǎn)生的合成氣，高選擇性地一步反應獲得低碳烯烴。這項技術(shù)發(fā)明也因此被業(yè)界認為是“煤轉化領(lǐng)域里程碑式的重大突破”。

全國人大代表、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員、復旦大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士包信和4日透露了這一最新研究成果。

據介紹，德國科學(xué)家費舍爾和托普希1923年發(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(guò)程。該過(guò)程并不完美，除產(chǎn)生大量的二氧化碳以外，還要消耗大量的水，且產(chǎn)物選擇性差，后續處理消耗大量能量。

與費托過(guò)程不同，包信和研究團隊創(chuàng )制的過(guò)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(gè)CO反應，形成CO2。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(jìn)入分子篩孔道，在孔道限域環(huán)境中進(jìn)行擇形偶聯(lián)反應，定向生成低碳烯烴。

“通過(guò)以CO替代H2來(lái)消除烴類(lèi)形成中多余的氧原子，在反應不改變CO2總排放的情況下，摒棄了水煤氣變換反應，從原理上開(kāi)創(chuàng )了一條低耗水進(jìn)行煤轉化的新途徑。”包信和說(shuō)。

同時(shí)，這一新過(guò)程通過(guò)創(chuàng )造性將氧化物催化劑與分子篩復合，巧妙地實(shí)現CO活化和中間體偶聯(lián)等兩種催化活性中心的有效分離，把費托過(guò)程中“漫無(wú)目的”生長(cháng)的自由基控制在一個(gè)“籠子”（分子篩）里，使其變成想要的目標產(chǎn)物（低碳烯烴），破解了傳統催化反應中活性與選擇性此長(cháng)彼消的“蹺蹺板”難題，為高效催化劑和催化反應過(guò)程的設計提供了指南。

包信和帶領(lǐng)的研究團隊耗時(shí)9年完成了這一研究成果，相關(guān)文章將發(fā)表在美國《科學(xué)》（Science）雜志，并申報中國發(fā)明專(zhuān)利和國際PCT專(zhuān)利。然而，更讓他感到振奮的，是這項技術(shù)發(fā)明對國家能源安全和資源環(huán)境保護帶來(lái)的巨大意義。

烯烴是重要的化工原料，高端如航天飛機，日常如生活用品，所用的塑料都是從烯烴生產(chǎn)而來(lái)。國內外大都采用石油生產(chǎn)烯烴，而對于60%以上石油需要進(jìn)口、能源結構以煤為主且水資源日益短缺的中國而言，在煤制烯烴領(lǐng)域取得這一新突破的重要性不言而喻。

“中國的發(fā)展依賴(lài)于技術(shù)的突破。”包信和說(shuō)，“我們必須走集約發(fā)展、綠色發(fā)展的道路，最根本的辦法是靠新技術(shù)更高效地利用現有資源，使其利用率更高、更環(huán)保。”

另?yè)榻B，美國《科學(xué)》雜志同期還將刊發(fā)以“令人驚奇的選擇性”為題的專(zhuān)家評述文章，認為該過(guò)程未來(lái)在工業(yè)上將具有巨大的競爭力。