研究人员正在进行费托合成反应研究。受访者供图

研究团队通过向铁基费托合成反应气体中添加百万分之一浓度的卤素化合物，成功将二氧化碳副产物含量从传统工艺的30%左右降至1%以下，同时将高附加值烯烃产率提升至85%以上，为绿色合成气转化和低碳化工制造提供了新策略。

在汪洋大海中投入百万分之一滴水，其改变微乎其微；而在铁基费托合成反应气体中添加百万分之一浓度的卤素化合物，却能实现“近零碳排放”。

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员温晓东团队和北京大学化学与分子工程学院教授马丁团队合作，采用痕量卤素调控策略，通过向铁基费托合成反应气体中添加百万分之一浓度的卤素化合物，成功将二氧化碳副产物含量从传统工艺的30%左右降至1%以下，同时将高附加值烯烃产率提升至85%以上，为绿色合成气转化和低碳化工制造提供了新策略。相关成果日前发表于《科学》。

二氧化碳副产物居高不下

费托合成是化学工业中一项重要的催化反应技术，主要用于将合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）转化为液体燃料或烯烃等高值化学品。

“费托合成已有百年发展历程。百年来，在利用煤炭、天然气和生物质等碳资源制备油品和高值化学品的过程中，费托合成发挥着关键作用。”马丁介绍。

温晓东告诉记者，在当前的费托合成工业生产中，由于铁基催化剂具备低成本、高油品时空产率等显著优势，超过三分之二的工业过程都选用铁基催化剂进行铁基费托合成。

然而，提及煤化工行业，二氧化碳高排放问题似乎从来都是一个绕不开的“硬伤”，铁基费托合成也不例外。

“铁基费托合成在反应过程中容易触发水气变换副反应，生成大量二氧化碳。”温晓东说，在传统铁基费托合成工艺中，二氧化碳选择性常常高达30%，这意味着每转化100个碳原子就有30个会“叛逃”为温室气体，这一数据在百年间始终居高不下。在工业过程中，即使采取循环气工程手段，二氧化碳选择性仍普遍超过16%。在温晓东看来，这不仅引发严重的碳排放问题，更浪费了宝贵的碳资源。

小添加带来大效果

面对铁基费托合成过程中二氧化碳大量生成这一固有难题，中国科学家提出了痕量卤素调控策略：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。“这就像给复杂的化学反应装上了‘分子开关’，能够精准关闭生成二氧化碳的副反应通道。”马丁说。

其背后的核心原理在于卤素化合物的“靶向作用”。铁基费托合成中原本存在两条反应路径：一条路径能生成烯烃等目标产物，另一条则“跑偏”生成二氧化碳。当卤素化合物以“动态调控者”身份加入反应体系后，它们会在催化剂表面不断吸附、解离、再结合，像“堵水管”一样阻断水分子活化，从而封住二氧化碳的生成路径。同时，卤素化合物的添加还能防止烃类过度氢化，使更多碳原子用于生成烯烃。

“这就像在烹饪中加入一滴‘分子级调味料’，它既能牢牢锁住主菜的鲜味，又能巧妙抑制食材焦糊等不良反应的发生。”温晓东用一个生动形象的比喻，解释了微小添加量所带来的巨大效果。

实验结果显示，在这一调控策略下，不仅二氧化碳几乎实现“零排放”，烯烃等产率也大幅提高，远超行业平均水平。

更关键的是，这一策略具有极高的实用性和便捷性。它无需更换现有的催化剂，也不用对设备进行大规模改造，只需在设备进气口添加微量的卤素气体即可实现。

“这项策略实现了对复杂催化网络中反应路径的选择性屏蔽，以‘轻插拔式’的调控方式高效‘关闭’副反应通道，极大提升了碳原子利用效率。”温晓东说。

产业化需要解决多项难题

“这项研究能够实现绿色低碳的烯烃或者油品生产。”马丁说，该策略若与绿氢的使用和低二氧化碳排放的煤气化过程相结合，将有望为煤化工过程脱碳开辟全新路径。

据介绍，目前研究团队正积极与相关企业开展合作，进行中试放大以及长期稳定性评估工作，力争将这一痕量卤素调控策略快速推向工业化。

马丁指出，这一策略要真正实现工业化，还需解决若干关键难题。首先是卤素化合物的精密投料与浓度控制问题，在生产过程中，百万分比浓度气体的稳定、安全输入，对生产过程的自动化水平提出了极高要求。其次，铁基催化剂在长期运行中的耐卤稳定性等仍需系统验证，以确保在数千小时运行周期内能够维持催化剂结构与性能的稳定。此外，针对不同气化原料的杂质差异和组成波动，该策略的普适性与放大适应性也有待进一步研究与优化。

马丁介绍，未来，研究团队计划从两个方向继续推进。一是开发可自调节释放的固体卤源或协同助剂体系，构建更安全、可控、可回收的动态调控方式；二是结合人工智能与高通量筛选技术，探索更多可替代卤素化合物的“轻掺杂”调控分子，以实现对反应网络的更精确调节。

从哈伯法合成氨，到费托合成技术的问世，再到齐格勒—纳塔催化剂的诞生，历史上每一次催化领域的突破与发展，都深刻改变了工业格局，推动着人类社会进步。如今，温晓东、马丁等人在全球能源转化与化工体系的版图上，又新增了一个中国坐标。正如研究团队成员所说：“我们并非为费托合成这台‘百年老发动机’更换零件，而是为它重写了新的反应算法。”

（原载于《科技日报》 2025-12-24 08版）