包信和代表：《科學(xué)》雜志確認中國煤制氣獲重大突破

創(chuàng )新，無(wú)疑是全國“兩會(huì )”的熱門(mén)關(guān)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(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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。

據悉，包信和院士(現任復旦大學(xué)常務(wù)副校長(cháng)、教授)和潘秀蓮研究員領(lǐng)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(lái)煤化工一直沿襲的費托路線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)為F-T)，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(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，破解了傳統煤化工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。這項成果被業(yè)界譽(yù)為“煤轉化領(lǐng)域里程碑式的重大突破”。

3月4日，在北京出席全國“兩會(huì )”的包信和院士在中科院物理所介紹成果。

3月4日，在北京出席全國“兩會(huì )”的包信和院士在中科院物理所介紹成果。

烯烴是現代工業(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(guò)程已申報中國發(fā)明專(zhuān)利和國際PCT專(zhuān)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(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。

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(guò)程。盡管該過(guò)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(guò)程不可替代。

如今，這一過(guò)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(guò)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(shí)，低碳烴類(lèi)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%。打破了傳統費-托合成過(guò)程低碳烯烴的選擇性最高為58%的極限(SF極限)。

傳統的費-托(F-T)過(guò)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(shí)放出水分子。亞甲基中間體通過(guò)遷移插入反應，在催化劑表面進(jìn)行自由聚合，生成含不同碳原子數(從一到三十，有時(shí)甚至到上百個(gè)碳原子)的烴類(lèi)產(chǎn)物。整個(gè)反應烴類(lèi)產(chǎn)物碳原子數分布廣，目標產(chǎn)物的選擇性低。同時(shí)，這一過(guò)程需要消耗大量氫氣來(lái)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(guò)水煤氣變換(CO+H2O H2+CO2)獲得的，水煤氣變換過(guò)程是一個(gè)高能耗的過(guò)程，還要釋放出大量CO2。

大連化物所研究人員創(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。與傳統的F-T過(guò)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(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，大大提高了產(chǎn)物的選擇性。通過(guò)對分子篩孔道和酸性質(zhì)的調控，可以實(shí)現產(chǎn)物分子的可控調變。

這一突破，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，摒棄了高耗能和高耗水的水煤氣變換反應，從原理上開(kāi)創(chuàng )了一條低耗水(結構上沒(méi)有水循環(huán))進(jìn)行煤轉化的新途徑，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(jìn)行煤化工”的問(wèn)題。
同時(shí)，包信和院士的團隊通過(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，把傳統費托技術(shù)上“漫無(wú)目的、無(wú)拘無(wú)束”生長(cháng)的“自由基”控制在一個(gè)“籠子”(分子篩)里，通過(guò)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。

包信和院士團隊的新發(fā)明的過(guò)程除了節水和在工藝上降低CO2排放(縮短流程、降低能耗)外，還具有很高的經(jīng)濟效益。據中國石化工程建設有限公司(SEI)初步評估，在現有的條件下，該過(guò)程的內部收益率(IRR)可達14%以上。

“科技要為‘能源革命’提供支撐。”包信和表示，國內外多家化學(xué)公司都非常感興趣該過(guò)程的進(jìn)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重要化工企業(yè)和國外著(zhù)名化學(xué)公司達成初步協(xié)議，著(zhù)手在催化劑制備和工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)等方面共同合作，力爭盡快實(shí)現工業(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(guò)程制烯烴(FTTO)研究二十多年的德國B(niǎo)ASF公司專(zhuān)家Schwab博士了解到這一過(guò)程的基本情況后，沮喪地說(shuō)：“這個(gè)點(diǎn)子為什么不是我們先想到的?”包信和院士不無(wú)自豪地回答道：“你們想到的點(diǎn)子已經(jīng)很多了，也該輪到我們了”。

說(shuō)這話(huà)的底氣來(lái)自于一個(gè)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(shí)間，并與國內包括合肥同步輻射光源在內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(zhuān)利和國際PCT專(zhuān)利以外，沒(méi)有公開(kāi)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(huì )、科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項的資助。