近日，实验室孙剑研究员和葛庆杰研究员团队在合成气（纯化后CO和H2的混合气体）经费托路线制低碳烯烃方面取得重要进展。团队提出了一种基于费托合成体系的催化新策略，实现了合成气在温和条件下（250至260 ℃，0.1 MPa）向低碳烯烃的高效转化。该研究突破了之前依赖高温高压条件的技术路线，为低能耗、高效率合成气转化提供了新思路。
费托合成是以合成气为原料，制备燃料和化学品的重要工业过程，在煤炭资源丰富而石油资源相对不足的国家具有重要的应用价值。我国能源结构具有“富煤、贫油、少气”的特点，发展以合成气为中间体的转化技术，对保障能源安全和推动化工原料多元化具有重要意义。传统费托合成制烯烃过程通常需要在 300°C以上、压力大于2 MPa的条件下运行，能耗和成本相对较高，同时，在温和条件下，反应体系普遍存在转化率与低碳烯烃选择性之间的权衡关系，即随着转化率的提高，低碳烯烃选择性往往显著下降，使得在高转化率（大于60%）条件下实现高低碳烯烃选择性仍面临挑战。
为解决上述问题，本研究围绕碳氧键高效活化与碳碳偶联协同匹配这一核心科学问题，从催化剂表面微观反应机制出发，发现引入特定亲水羟基助剂能够对一氧化碳活化产生积极影响，为理解和调控合成气转化反应提供了新的视角。研究发现，在钠-钴-锰催化体系中引入特定羟基助剂，例如羟基磷灰石、勃姆石和气相二氧化硅，可以构建富含表面羟基的反应界面，诱导形成具有低对称性三斜相结构的钴锰复合氧化物新催化位点，有利于促进H辅助的CO解离活化路径，进而提高CO的活化效率。在250至260°C、0.1 MPa的温和条件下，该催化体系可实现80%的CO转化率、60%的低碳烯烃选择性和超过80%的总烯烃选择性，并适用于较宽的氢碳比范围（H2/CO=1至2）。结构表征与机理研究表明，羟基助剂能够抑制催化剂的过度还原和碳化，稳定活性氧化物相，从源头上优化 CO 活化与C–C偶联之间的协同关系。该发现为理解CO/CO2催化转化过程中多相活性结构的动态演化提供了新的实验依据。
孙剑研究团队长期致力于碳资源小分子与氢能利用研究，在CO2活化新路径，CO2加氢合成液态烃、烯烃和醇类等方向取得了系统性研究进展。团队还与企业合作建成并运行全球首套千吨级二氧化碳加氢制汽油示范装置，为后续万吨级工业装置的建设及应用奠定了基础。基于前期系统的基础研究与工业实践积累，本研究进一步拓展了对碳氧键活化机理的认识，并在温和条件下实现了对反应路径的精细调控和整体性能的协同提升。未来，团队将围绕羟基助剂调控CO/CO2催化转化体系的构筑方式、活性位结构演化及反应过程优化等关键问题，持续推进相关基础研究与应用探索，为我国煤炭清洁高效利用和低碳化工过程发展提供有利技术支撑。
相关研究成果以“Hydroxy-induced cobalt oxides for syngas to light olefins”为题，于近日发表在《自然》（Nature）上。上述工作得到了辽宁滨海实验室等项目的支持。（文/图 韩誉、孙艳楠）
