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 光明日报北京11月2日电(记者晋浩天) 今年是费托合成发现100周年——这个能将煤炭、天然气、生物质转化而来的合成气(一氧化碳和氢气)变为液体燃料或烯烃等宝贵化学品的工艺,是现代能源化工的基石之一。但这一“百年反应”也一直面临一个老大难问题:高碳排放。令人振奋的是,中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东研究员团队与北京大学马丁教授团队合作,日前在国际学术期刊《科学》上发表突破性成果,成功破解了“费托合成高碳排放”百年世界难题。研究发现,在将合成气转化为油品或是烯烃的费托合成反应中,只需在其中“加入”极其微量的卤素化合物,就能显著改变铁基催化剂的反应行为:几乎不产生二氧化碳,同时将合成烯烃和液体燃料的效率提升至新高度,为我国推动煤、天然气等碳资源的绿色转化,提供了切实可行新路径。

 马丁介绍,早在1925年,德国化学家费舍尔和特罗普施就首次提出:通过催化剂,可将合成气转化为液体燃料或高值化学品。但二氧化碳副产问题是制约其绿色升级的最大挑战之一。“对此,我们提出了一个出人意料的简单方案:在反应气体中,加入百万分之一浓度的卤素化合物(如溴甲烷、碘甲烷等),就像在烹饪中加入一滴‘分子级调味料’。这个微小的添加量,竟然带来了巨大的反应差异。”

 温晓东告诉记者,这些卤素分子在反应中不会直接转化,而是以“动态调控者”的身份存在:它们在催化剂表面不断吸附、解离、再结合,像“电子开关”一样调节铁催化剂的表面状态,阻断催化剂表面的水分子活化,从而阻断一氧化碳和水生成二氧化碳。更关键的是,这种调控方式完全不改变原有催化剂结构、无需更换设备,只需引入微量气体,就能实现“即插即用”的性能跃升。这种策略不仅简洁高效,还具有极强的工程适应性。

 实验数据显示,传统铁基费托反应中,二氧化碳占比常高达30%左右;而在“卤素调控”下,这一数值可降至1%以下,几乎可以忽略不计。同时,生成的高附加值烯烃比例提升至80%以上,远超行业平均水平。“这意味着在相同原料投入下,几乎所有碳原子都被转化为有用产物,不再白白流失为二氧化碳。这一‘低碳+高效’的双重提升,为实现高碳资源利用率、高选择性产品输出的清洁化工路线,提供了技术突破口。”马丁说。

 记者了解到,目前,研究团队已在实验室中验证了多种卤素气体的效果,并正与相关企业合作开展中试放大、长期稳定性评估,力争将这一绿色低碳策略快速推向工业化。“未来,随着这一技术逐步推广,将有望显著提升我国合成气利用、煤化工等产业的绿色转型水平,为全球能源结构优化贡献‘中国方案’。”温晓东表示。