近日，大連化物所氫能與先進材料研究部碳資源小分子與氫能利用研究組（DNL1905組）孫劍研究員和葛慶杰研究員團隊在合成氣（純化后CO和H2的混合氣體）經(jīng)費托路線制低碳烯烴方面取得重要進展。團隊提出了一種基于費托合成體系的催化新策略，實現(xiàn)了合成氣在溫和條件下（250至260?℃，0.1 MPa）向低碳烯烴的高效轉(zhuǎn)化。該研究突破了之前依賴高溫高壓條件的技術(shù)路線，為低能耗、高效率合成氣轉(zhuǎn)化提供了新思路。
費托合成是以合成氣為原料，制備燃料和化學(xué)品的重要工業(yè)過程，在煤炭資源豐富而石油資源相對不足的國家具有重要的應(yīng)用價值。我國能源結(jié)構(gòu)具有“富煤、貧油、少氣”的特點，發(fā)展以合成氣為中間體的轉(zhuǎn)化技術(shù)，對保障能源安全和推動化工原料多元化具有重要意義。傳統(tǒng)費托合成制烯烴過程通常需要在 300°C以上、壓力大于2 MPa的條件下運行，能耗和成本相對較高，同時，在溫和條件下，反應(yīng)體系普遍存在轉(zhuǎn)化率與低碳烯烴選擇性之間的權(quán)衡關(guān)系，即隨著轉(zhuǎn)化率的提高，低碳烯烴選擇性往往顯著下降，使得在高轉(zhuǎn)化率（大于60%）條件下實現(xiàn)高低碳烯烴選擇性仍面臨挑戰(zhàn)。
為解決上述問題，本研究圍繞碳氧鍵高效活化與碳碳偶聯(lián)協(xié)同匹配這一核心科學(xué)問題，從催化劑表面微觀反應(yīng)機制出發(fā)，發(fā)現(xiàn)引入特定親水羥基助劑能夠?qū)σ谎趸蓟罨a(chǎn)生積極影響，為理解和調(diào)控合成氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供了新的視角。研究發(fā)現(xiàn)，在鈉-鈷-錳催化體系中引入特定羥基助劑，例如羥基磷灰石、勃姆石和氣相二氧化硅，可以構(gòu)建富含表面羥基的反應(yīng)界面，誘導(dǎo)形成具有低對稱性三斜相結(jié)構(gòu)的鈷錳復(fù)合氧化物新催化位點，有利于促進H輔助的CO解離活化路徑，進而提高CO的活化效率。在250至260°C、0.1 MPa的溫和條件下，該催化體系可實現(xiàn)80%的CO轉(zhuǎn)化率、60%的低碳烯烴選擇性和超過80%的總烯烴選擇性，并適用于較寬的氫碳比范圍（H2/CO=1至2）。結(jié)構(gòu)表征與機理研究表明，羥基助劑能夠抑制催化劑的過度還原和碳化，穩(wěn)定活性氧化物相，從源頭上優(yōu)化 CO 活化與C–C偶聯(lián)之間的協(xié)同關(guān)系。該發(fā)現(xiàn)為理解CO/CO2催化轉(zhuǎn)化過程中多相活性結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化提供了新的實驗依據(jù)。
孫劍研究團隊長期致力于碳資源小分子與氫能利用研究，在CO2活化新路徑（Nat. Chem.，2024；Nat. Commun.，2021），CO2加氫合成液態(tài)烴（Nat. Commun.，2017）、烯烴（Angew. Chem. Int. Ed.，2025）和醇類（Angew. Chem. Int. Ed.，2024；Angew. Chem. Int. Ed.，2023）等方向取得了系統(tǒng)性研究進展。團隊還與企業(yè)合作建成并運行全球首套千噸級二氧化碳加氫制汽油示范裝置，為后續(xù)萬噸級工業(yè)裝置的建設(shè)及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?；谇捌谙到y(tǒng)的基礎(chǔ)研究與工業(yè)實踐積累，本研究進一步拓展了對碳氧鍵活化機理的認(rèn)識，并在溫和條件下實現(xiàn)了對反應(yīng)路徑的精細(xì)調(diào)控和整體性能的協(xié)同提升。未來，團隊將圍繞羥基助劑調(diào)控CO/CO2催化轉(zhuǎn)化體系的構(gòu)筑方式、活性位結(jié)構(gòu)演化及反應(yīng)過程優(yōu)化等關(guān)鍵問題，持續(xù)推進相關(guān)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索，為我國煤炭清潔高效利用和低碳化工過程發(fā)展提供有利技術(shù)支撐。
相關(guān)研究成果以“Hydroxy-induced cobalt oxides for syngas to light olefins”為題，于近日發(fā)表在《自然》（Nature）上。該工作第一作者是大連化物所DNL1905組博士研究生韓譽。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、遼寧濱海實驗室等項目的支持。
