Science：構筑疏水通道助力煤制烯烴效率翻倍

科研團隊在實驗室。（浙大供圖）

　　7月22日，《科學》刊登浙江大學化學工程與生物工程學院教授肖豐收、研究員王亮團隊與中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員鄭安民團隊合作成果，研究團隊報道了一種控制催化劑表面微觀環境中水物種的吸-脫附平衡的策略，通過將一種超疏水材料聚二乙烯基苯與經典鈷基催化劑物理混合，實現了催化性能的大幅提升。在250 °C下，CO的單程轉化率達到63.5%，同時保持71.4%的碳氫化合物為低碳烯烴產物（C2-C4=）。

　　費托合成（Fischer–Tropsch synthesis），又稱F-T合成，是以合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體，主要來源于煤炭，生物質的氣化）為原料，通常在鐵基或鈷基催化劑和適當條件下合成碳氫化合物的工藝過程。

　　該技術是20世紀20年代由德國化學家 Franz Fischer 和Hans Tropsch開發。由費托合成過程獲得烯烴產品（Fischer-Tropsch synthesis to olefins, FTO）也是煤制烯烴的重要手段，但是當前反應過程依然存在反應溫度高、效率不足等問題。發展低溫、高效的催化劑對于煤炭的清潔利用獲得大宗化學品具有重要意義。

　　研究團隊研究FTO過程中關鍵反應物種的擴散對該過程的重要影響，發現在CO加氫過程中生成一定量的水會吸附在催化劑表面抑制CO和氫氣分子后續的吸附與轉化，該問題在較低溫度反應過程中更為明顯。如何進一步提高催化劑的低溫反應活性的同時又保持優異的烯烴選擇性，成為了迫切需要解決的問題。

　　不同于傳統費托催化劑的研究，浙大團隊獨辟蹊徑，將目光聚焦到反應產物在催化劑表面的吸-脫附微平衡調控上。肖豐收說：“這個想法也很簡單，我們通過催化劑和疏水材料物理混合的方式，在催化劑表面構筑特定的微觀環境，同時促進產物的脫附和抑制其再吸附，推動反應正向進行。”另外，通過物理混合的方法，可以對現有催化劑“無損”的情況下對反應性能進行調控，優于通常采用的化學修飾方法。

　　這種聚二乙烯基苯具有超疏水的表面。當催化劑中混入這個材料后，反應產物水就會迅速脫附和擴散。雖然整個反應體系內的氣氛組成沒有變化，但是活性位點所處的微觀環境會變得相對“干燥”，這為催化劑持續高效工作提供了有利條件。“我們把原來被水遮擋的活性位點釋放出來，催化反應就可以持續推進。”王亮說。

　　大道至簡，這一小小的改變，讓轉化效率翻倍，同時對產物的選擇性也進行了優化，實現低溫條件下的高效率。

　　對于未來的應用，肖豐收說，這種物理混合的新型催化體系，不需要改造現有工業反應路線，就能夠高效率地應用于生產實踐，讓煤炭發揮更大的作用。