從30%降至不足1%，微量的改變卻能引發(fā)一場化工業(yè)的綠色革命。

　　費(fèi)托合成（Fischer–Tropsch synthesis,FTS），是我國“富煤、貧油、少氣”資源稟賦下生產(chǎn)烷烴、烯烴等燃料和工業(yè)原料的關(guān)鍵技術(shù)。其中烯烴是塑料、橡膠和纖維等基礎(chǔ)材料的重要原料，在現(xiàn)代化工生產(chǎn)中占據(jù)核心地位。

　　據(jù)了解，目前工業(yè)上高度依賴鐵基催化劑的費(fèi)托合成，其最大缺陷是在典型條件下，合成氣中的碳源，一氧化碳有高達(dá)18%至35%被轉(zhuǎn)化成二氧化碳廢氣。每生產(chǎn)1公斤烯烴，就要在費(fèi)托合成環(huán)節(jié)排放0.5公斤左右的二氧化碳，這既造成了巨量碳排放，也是對(duì)碳資源的巨大浪費(fèi)。

　　如今，這一阻礙“雙碳”目標(biāo)的痛點(diǎn)，已經(jīng)由北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院馬丁教授與中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所溫曉東研究員主導(dǎo)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)突破，并正在走向工業(yè)化落地。

　　聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過向鐵基費(fèi)托合成反應(yīng)氣體中添加百萬分之一濃度的鹵素化合物，成功將二氧化碳副產(chǎn)物從傳統(tǒng)工藝的30%左右降至1%以下，實(shí)現(xiàn)“近零碳排放”，同時(shí)將高附加值烯烴產(chǎn)率提升至85%以上，為綠色合成氣轉(zhuǎn)化和低碳化工制造提供了新策略。

　　“這就像在烹飪中加入一滴‘分子級(jí)調(diào)味料’?！睖貢詵|說，這項(xiàng)成果的核心是對(duì)費(fèi)托合成復(fù)雜反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的“精準(zhǔn)調(diào)控”。

　　團(tuán)隊(duì)青年學(xué)者劉興武進(jìn)一步介紹，工業(yè)鐵催化劑表面同時(shí)存在生成烴類的主反應(yīng)路徑和生成二氧化碳的副反應(yīng)路徑，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種高效簡單的選擇性抑制方法：在原料合成氣中加入百萬分之一（ppm級(jí)）的鹵代甲烷（如溴甲烷），即可近乎完全抑制副反應(yīng)路徑。

　　為了獲得這一解決費(fèi)托體系長期存在的高二氧化碳副反應(yīng)問題的關(guān)鍵突破，自2009年建組以來，馬丁領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)就開始深入研究費(fèi)托合成反應(yīng)的催化劑及其構(gòu)效關(guān)系。2024年，馬丁團(tuán)隊(duì)與溫曉東團(tuán)隊(duì)緊密合作，形成了從催化劑合成、反應(yīng)評(píng)價(jià)到反應(yīng)機(jī)理研究、催化劑表征、理論計(jì)算的完整研究體系。

　　盡管擁有扎實(shí)基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)在研究推進(jìn)過程中仍遇到多重挑戰(zhàn)。馬丁回憶，以往一些結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，如使用疏水二氧化硅包覆等，仍然會(huì)生成10%－13%的二氧化碳，且常伴隨活性下降，難以從根本上解決問題。因此，他們將注意力轉(zhuǎn)向在其他催化體系中常被視為“毒物”的鹵素。

　　溫曉東告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，團(tuán)隊(duì)中的青年學(xué)者和博士生為研究工作作出了突出貢獻(xiàn)。

　　在傳統(tǒng)認(rèn)知中，鹵素往往被視為會(huì)毒化鐵基催化劑的“抑制劑”，通常會(huì)導(dǎo)致活性顯著下降。然而在一次常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，劉興武意外觀察到微量鹵素并未造成失活，反而表現(xiàn)出與傳統(tǒng)理解不一致的正向作用。基于在鐵基費(fèi)托體系上長期的研究積累和對(duì)反應(yīng)特征的敏感判斷，劉興武第一時(shí)間意識(shí)到這一“反常現(xiàn)象”可能具有重要科學(xué)意義，并組織進(jìn)一步的驗(yàn)證工作。

　　在劉興武的指導(dǎo)下，博士生蔡毅圍繞關(guān)鍵條件開展了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同鐵基活性相的響應(yīng)，最終確認(rèn)微量鹵素能夠選擇性抑制二氧化碳副反應(yīng)而保持費(fèi)托主反應(yīng)的活性。隨后團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步明確：只有在ppm級(jí)的微量范圍內(nèi)，鹵素的這一獨(dú)特調(diào)控效應(yīng)才會(huì)穩(wěn)定顯現(xiàn)。

　　在確認(rèn)這一現(xiàn)象后，團(tuán)隊(duì)仍需回答一個(gè)更本質(zhì)的問題：鹵素究竟是如何改變催化劑表面反應(yīng)路徑的？

　　“如果不能回答這一問題，就無法完全建立其科學(xué)性?！瘪R丁說。

　　為此，馬丁的博士生王茂林利用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，揭示了鹵素抑制多個(gè)副反應(yīng)基元步驟的機(jī)理，從根源上切斷了二氧化碳的形成路徑，成為理解調(diào)控機(jī)制的關(guān)鍵證據(jù)。

　　最終，這一突破性成果的論文于2025年10月30日發(fā)表于《科學(xué)》（Science）期刊。

　　值得注意的是，這已是馬丁團(tuán)隊(duì)一年內(nèi)第二項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》的相關(guān)成果。今年2月，團(tuán)隊(duì)發(fā)布了零碳排放的工業(yè)制氫新方案；此次“近零碳排放”費(fèi)托合成則攻克了傳統(tǒng)化工過程的排放難題。

　　“光有‘綠氫’還不夠，如果費(fèi)托合成中三分之一的碳仍以二氧化碳形式排出，那是對(duì)‘綠氫’的巨大浪費(fèi)?！瘪R丁表示，這項(xiàng)研究補(bǔ)上了關(guān)鍵一環(huán)。

　　在馬丁看來，此類原創(chuàng)成果反映了我國科研體系對(duì)解決關(guān)鍵問題的重視，也推動(dòng)科研范式從“追趕”向“引領(lǐng)”轉(zhuǎn)變。

　　展望未來，這項(xiàng)近零碳排放費(fèi)托合成技術(shù)的工業(yè)化前景同樣值得關(guān)注。馬丁介紹，這一策略具有良好的普適性，對(duì)現(xiàn)有商業(yè)催化劑同樣有效，無需更換催化劑或反應(yīng)器，只需在原料氣中加入ppm級(jí)鹵代物即可。此外，催化劑在不同條件下可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行450小時(shí)以上，且操作簡便，在乙烯環(huán)氧化等成熟工業(yè)體系中也已有類似微量調(diào)控策略的成功先例。

　　曾經(jīng)，依賴傳統(tǒng)工藝的費(fèi)托合成讓人們的生活建立在高碳排放的物質(zhì)基礎(chǔ)上；如今，由我國科學(xué)家提出的“原創(chuàng)答案”讓煤化工生產(chǎn)烯烴的產(chǎn)業(yè)煥發(fā)“低碳新生”，這一成果為提升碳效率提供了關(guān)鍵的底層技術(shù)。