生活中常見(jiàn)的塑料和化纖等制品，都來(lái)源于小分子的烯烴(低碳烯烴)辖备，這些小分子烯烴一般是從石油中制得的倒脓。但是浦砸，我國(guó)的資源稟賦特點(diǎn)是富煤貧油唐肩，如果能用煤炭來(lái)制備低碳烯烴簿翔，不僅可以改善對(duì)石油的依賴(lài)接骄，還可以提升煤炭的附加值，是一舉兩得的好事!

那么牺会，我國(guó)目前在煤炭轉(zhuǎn)化領(lǐng)域有什么突破性的進(jìn)展锈犯，對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)又有什么貢獻(xiàn)呢?今天就由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所潘秀蓮研究員帶我們共同解讀。

專(zhuān)家介紹

潘秀蓮

研究員道葬，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者献爷。主要致力于能源轉(zhuǎn)化過(guò)程中的催化作用基礎(chǔ)研究，以第二完成人參與完成的“納米限域催化”項(xiàng)目陷揪，獲得2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)惋鸥，實(shí)現(xiàn)了合成氣直接制低碳烯烴等高值化學(xué)品的新過(guò)程。

生活中的各種塑料制品都來(lái)自石油化工業(yè)

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問(wèn) ：您認(rèn)為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有哪些比較重要的途徑悍缠？

答 ：一個(gè)途徑就是使用可再生能源卦绣，包括光能耐量、風(fēng)能等。另一個(gè)途徑就是節(jié)能減排滤港，用更先進(jìn)的技術(shù)取代不夠清潔高效的技術(shù)廊蜒，就可以減少能源損耗，降低二氧化碳的排放溅漾。

例如山叮，我們現(xiàn)在認(rèn)為煤炭是不清潔的能源，實(shí)際上我們?nèi)绻苡懈冗M(jìn)的技術(shù)添履，也可以在使用煤炭時(shí)盡量降低二氧化碳排放屁倔。

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問(wèn) ：對(duì)于煤炭來(lái)說(shuō)，除了直接燃燒之外缝龄，還有什么利用方式呢磁揽？

答 ：我們國(guó)家能源稟賦特點(diǎn)是貧油少氣，相對(duì)來(lái)說(shuō)是富煤的×置唬現(xiàn)在石油的對(duì)外依存度超過(guò)了70%伺亭，這些石油除了用于交通運(yùn)輸?shù)娜剂现猓€有很多是用來(lái)制造化學(xué)品的婶苦。那么呀埠，有沒(méi)有可能利用相對(duì)富裕的煤去制造這些化學(xué)品，就是我們要研究的一個(gè)重要方面吴位。

煤不僅可以用作燃料颠请，還可以把它轉(zhuǎn)化成附加值比較高的化學(xué)品 ，例如我們比較關(guān)心的低碳烯烴這類(lèi)物質(zhì)嚣刺。低碳烯烴包括乙烯誉倦、丙烯等，用處非常廣揪孕，我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫母鞣N塑料都與它們相關(guān)肿夜，例如聚乙烯，聚丙烯等梧杯。當(dāng)然色查，把煤變成我們交通工具中用的燃料油，也是可以的撞芍。

問(wèn) ：請(qǐng)您結(jié)合課題組的工作內(nèi)容給大家介紹一下煤制低碳烯烴秧了。

答 ：1925年的時(shí)候，兩位德國(guó)科學(xué)家發(fā)明了費(fèi)托合成技術(shù)序无，成為煤制油的關(guān)鍵技術(shù)验毡。費(fèi)托合成技術(shù)就是把煤變?yōu)楹铣蓺?一氧化碳和氫氣的混合氣)，然后再轉(zhuǎn)化為合成燃料帝嗡，例如汽油米罚、柴油等钧汹。這些油品的本質(zhì)是碳?xì)浠衔铮吞枷N也是碳?xì)浠衔锫荚瘢匀藗兙拖雽⑦@一技術(shù)作為藍(lán)本拔莱，進(jìn)行一些改進(jìn)和修飾，來(lái)合成碳鏈相對(duì)短一點(diǎn)的烯烴隘竭。

費(fèi)托合成技術(shù)合成的燃料(左)和傳統(tǒng)燃料(右)對(duì)比

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問(wèn) ：把煤直接制成低碳烯烴主要有哪些難點(diǎn)塘秦？

答 ：主要是產(chǎn)物的選擇性 。傳統(tǒng)的費(fèi)托合成技術(shù)使用鐵劲吐、鈷等金屬做催化劑钩厕，具有開(kāi)放的表面。一氧化碳在這個(gè)表面上活化之后生成一系列中間體拣九，由于表面的開(kāi)放性舌恒，這些中間體可以隨機(jī)連接起來(lái)，生成長(zhǎng)短不一的碳鏈含薄，理論上瞒籍，這些碳鏈的長(zhǎng)度是無(wú)法控制的。理論計(jì)算表明谓牢，我們所需要的二碳到四碳烯烴的產(chǎn)量只有60%以下奇忆，選擇效率比較低。

還有一個(gè)問(wèn)題在于巩烤，一氧化碳是由一個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子組成的享处，但低碳烯烴并不含氧，因此需要把氧拿走铡喊。傳統(tǒng)方法是用氫把氧拿走喝撒，而氫來(lái)自于水，因此這個(gè)過(guò)程需要消耗大量的水诅岩，還要多進(jìn)行一步水煤氣變換讳苦，增加了能耗。

問(wèn) ：目前我們?cè)谶@兩個(gè)難點(diǎn)上有什么突破性的進(jìn)展按厘？

答 ：我們新發(fā)明的技術(shù)在這兩個(gè)方面都有所突破。

首先钱慢，我們使用的催化劑與傳統(tǒng)催化劑不同逮京，具有雙功能 。它可以先把一氧化碳和氫活化束莫，結(jié)合成中間體懒棉，再配合它的分子篩功能，把中間體限制在分子篩的孔道里面览绿，通過(guò)孔道的限域作用策严，有效控制產(chǎn)物的碳鏈長(zhǎng)度穗慕。2016年的時(shí)候，我們的選擇效率就做到了80%妻导，現(xiàn)在可以做到高于90%逛绵，這是一個(gè)很大的突破。

另外央垢，我們不再用氫拿走一氧化碳里面的氧简揍，而是通過(guò)另一個(gè)一氧化碳來(lái)實(shí)現(xiàn) ，這樣就少了水煤氣變換泞征，可以減少流程并降低能耗碑裤，碳排放就會(huì)相對(duì)減少。同時(shí)无俏，反應(yīng)過(guò)程中不再需要添加水电动、排放廢水。

2016年我們?nèi)〉昧嘶A(chǔ)研究的成果猿饿，發(fā)表了論文;2019年跟合作企業(yè)在陜西開(kāi)展了工業(yè)性實(shí)驗(yàn)褂洽，規(guī)模年產(chǎn)量達(dá)到千噸級(jí)，這一試驗(yàn)在2020年完成坦推。目前或腔，我們跟企業(yè)還在做進(jìn)一步的溝通合作，進(jìn)行催化劑的更新迭代和工藝流程的優(yōu)化擅揖。在催化劑更新迭代方面蔚便，我們希望能夠進(jìn)一步提升選擇效率的同時(shí)，降低水耗和能耗豌蟋。在流程優(yōu)化方面廊散，我們希望在流程上更加高效的同時(shí)，做到更加低碳梧疲、更加清潔允睹。

陜西榆林，千噸級(jí)煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗(yàn)裝置

圖片來(lái)源：中科院大連化物所

問(wèn) ：這項(xiàng)技術(shù)的使用與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生怎樣的聯(lián)系呢幌氮？

答 ：這項(xiàng)技術(shù)會(huì)對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有貢獻(xiàn)缭受。第一，工藝流程縮短意味著能耗會(huì)降低该互，也就意味著二氧化碳排放量可以降低米者。第二，我們減少了水耗和廢水排放宇智，這也是很重要的貢獻(xiàn)蔓搞。

問(wèn) ：是什么原因能夠讓我們的科技創(chuàng)新取得突破呢？

答 ：國(guó)際上有非常多的科學(xué)家在研究這一領(lǐng)域随橘，但一直沒(méi)有突破喂分。我認(rèn)為的原因是理論受限熔又。如果用傳統(tǒng)催化劑，它的反應(yīng)機(jī)理是固定的吱裙，按照這個(gè)機(jī)理非宝，就一定會(huì)存在理論極限，很難突破硝闸。這也是我們開(kāi)始的時(shí)候走了很多彎路旺哀，一直沒(méi)有突破的原因。

所以硼挡，我們后來(lái)選擇采用完全不一樣的原創(chuàng)概念催化體系 恤朝，包括雙功能分離的概念和納米限域催化理論。正是在全新理論的指導(dǎo)下版绢，才能做出催化劑的創(chuàng)新棕虫。