如何減少對石油的依賴？中國科學家提出“煤制烯烴”新思路 | 科技袁人_風聞

導讀

納米限域催化是一個普適的概念，煤制烯烴只是它的應用之一，將來它的應用不可限量。

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本視頻發佈於2022年4月22日，觀看量已達6.9萬

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為了減少對進口石油的依賴，大家能想到什麼辦法？許多人會想到新能源和電動車，還有不少人會想到可控核聚變。這些當然都是重要的，不過它們都集中在代替石油作為能源的應用上面。其實石油還有一大應用，是作為化工原料。中國每年消耗近7億噸石油，其中有1.2億噸用在化工生產上（https://www.cas.cn/zkyzs/2021/12/327/cmsm/202112/t20211221_4819027.shtml）。因此，用其他原料生產化學品具有戰略價值。

在其他原料中，儲量最豐富的就是煤炭。石油的儲採比即儲量與開採量的比值只有幾十年，煤炭的儲採比上百年。所以“煤炭制烯烴”這個詞聽起來平淡無奇，實際上價值巨大，因為大部分化學品就是以烯烴為基礎製備出來的，大家經常聽到用多少萬噸乙烯來衡量化工廠的生產能力。中國科學技術大學校長包信和院士以及他在中國科學院大連化學物理研究所的團隊獲得了2020年度國家自然科學獎一等獎，主要成果就是煤炭制烯烴。

實際上，業界一百年前就發明了煤炭制烯烴的技術。它就是“費託過程”，以兩位發明者、德國科學家費舍爾和託普希命名。在該過程中，一氧化碳（CO）分子首先被金屬或金屬碳化物催化劑活化解離成碳（C）原子和氧（O）原子，再加氫形成亞甲基（CH2）中間體，同時放出水分子。亞甲基中間體在催化劑表面聚合，生成含不同碳原子數的烴類產物。

費託過程得到了廣泛的應用，但它有什麼缺點呢？最大的缺點就是選擇性低。我們希望生成低碳烯烴，但亞甲基會不停地聚合下去。所以在理論上就可以算出來，2到4個碳的烯烴的比例最高只能到58%（https://www.cas.cn/cm/202111/t20211105_4812752.shtml）。此外，它需要消耗大量的氫氣（H2）去移除氧原子，而氫氣一般來自水煤氣變換。這是一個高水耗、高能耗的過程，同時會放出大量的二氧化碳（CO2），這些都是嚴重的問題。

一百年來，科學家做了大量的探索來改進費託催化劑，但一直無法讓選擇性突破理論極限。同時催化劑的活性和選擇性往往是蹺蹺板，一個高了另一個就低了。

説了這麼多背景，包信和院士團隊的貢獻就呼之欲出了：他們提出了一種新的技術路線，克服了費託過程的缺點。這裏的關鍵是“納米限域催化”，這是他們提出的新的科學原理。實際上，他們自然科學一等獎的名稱就是納米限域催化，是這個科學概念，而不是煤炭制烯烴之類的實用效果。

納米就是10的-9次方米，大約是10個原子的尺度。納米限域催化的意思是，當催化劑被限制在納米級的狹小空間的時候，例如在碳納米管裏面，或者在金屬和氧化物的界面上，它的電子結構會發生變化，使得催化活性提高。

例如以前費託反應的選擇性不能超過58%，是因為催化劑的表面是開放的，中間體亞甲基的聚合反應隨機進行，不能剎車，最終就會生成大量不想要的高碳產物。而現在他們讓中間體進入納米級的分子篩孔道，就可以定向生成低碳烯烴，選擇性大大提高（《漫畫：中國科學家提出物理化學新概念：納米限域催化 | Sheldon》）。

此外，以前費託過程是用一種催化劑發揮兩種作用：活化和偶聯。活化是用CO和H2製備CH2，偶聯是讓CH2連起來生成烯烴。現在他們把這兩步分開用兩種催化劑實現，活化用的是界面限域的氧化物，偶聯用的是剛才説的分子篩孔道限域。一步變兩步，看似複雜了，其實是簡單了，因為兩步的效率都大大提高。這樣就摒棄了費託路線，省去了耗水、耗能的水煤氣變換制氫以及水—氫循環過程，開創了一條低耗水進行煤經合成氣一步轉化的新途徑。

這項技術目前還沒有大規模應用，而是在進行工業試驗。他們與陝西延長石油（集團）有限責任公司合作，建成了世界首套千噸級的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置，2020年成功完成了工業全流程試驗，驗證了可行性和先進性。包老師是個非常誠懇與實在的人，他在面對記者採訪時説：“我們現在就是研究到這個程度，也不要誇大（https://www.cas.cn/cm/202111/t20211104_4812456.shtml）。”

在2020年國家科學技術獎中有另一項成果跟它密切相關，然而是已經實際應用的，就是科學技術進步獎一等獎中的“400萬噸/年煤間接液化成套技術創新開發及產業化”。看明白區別了吧？這個是煤制油，而包老師團隊做的是煤制烯烴。這項煤制油的技術主要是中國科學院山西煤炭化學研究所開發的，基本技術路線還是費託合成，以後有機會再向大家詳細介紹。

最後我想説，跟實用效果相比，我更重視中國科學家在提出新概念上的貢獻。例如這裏的納米限域催化是一個普適的概念，煤制烯烴只是它的應用之一，將來它的應用不可限量。

以前大家翻開課本，中國科學家的名字屈指可數。近年來，中國科學界已經大有進步，不過大多數人還不知道這些最新進展。我不久前介紹過唐本忠院士發現的“聚集誘導發光”（《科學研究的真正樂趣，在於它的不可預期性 | 科技袁人》），這是納米發光領域最熱的概念之一。如果像納米限域催化、聚集誘導發光這樣由中國科學家開創的領域多起來，我們才能説，中國對世界做出了應有的貢獻。