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加點(diǎn)“料”,老工藝煥新(嘮“科”)
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鹵素調(diào)控鐵基費(fèi)托合成反應(yīng)機(jī)理示意圖。 |
在化工領(lǐng)域,有一項(xiàng)用了近百年的“老工藝”——費(fèi)托合成。它的本事,是把一氧化碳和氫氣混合而成的“合成氣”,轉(zhuǎn)化成液體燃料和烯烴等有價(jià)值的化工產(chǎn)品。自20世紀(jì)20年代被發(fā)明以來,這項(xiàng)技術(shù)就成為煤炭、天然氣、生物質(zhì),甚至二氧化碳等“含碳資源”轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉串a(chǎn)品的重要工具。如今,它依然是全球能源化工領(lǐng)域的骨干成員。
如果把合成氣比作“積木”,費(fèi)托合成的任務(wù)就是把這些積木拼成燃料分子或化工原料。而鐵基催化劑就是這項(xiàng)拼裝工作的“熟練工”。它便宜、好用,適合像煤炭這類“氫少碳多”的原料,因此在我國(guó)化工裝置中幾乎是標(biāo)配。但這個(gè)“工匠”也有老問題,它常常走“岔路”:要么讓水和一氧化碳結(jié)合變成氫氣和二氧化碳,要么讓兩個(gè)一氧化碳自己“抱團(tuán)”生成二氧化碳和碳黑。這兩條偏路,導(dǎo)致每生產(chǎn)3份產(chǎn)物,就有一份碳以二氧化碳的形式流失。即使通過回收尾氣的手段,也很難把碳損降得更低。
要多產(chǎn)烯烴,又少排二氧化碳,這一直是道難題?,F(xiàn)在,科研人員找到了一種聽起來近乎“魔法”的解法:往氣里加一點(diǎn)“料”——百萬分之一量級(jí)的鹵代甲烷(比如溴甲烷)。這個(gè)量有多小?差不多是一缸水里加了一滴墨水。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻令人驚訝:在300攝氏度、5個(gè)大氣壓的條件下,只加入20ppm(百萬分之一)的溴甲烷,二氧化碳的生成比例就從30%驟降到不到1%。這一項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所和北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院合作的科研成果,發(fā)表于《科學(xué)》期刊。這項(xiàng)技術(shù)破解了費(fèi)托合成高碳排放難題,為我國(guó)在“雙碳”目標(biāo)下推動(dòng)煤、天然氣、生物質(zhì)等碳資源的綠色轉(zhuǎn)化提供了新路徑。
這背后的原理是什么?原來,溴原子在催化劑表面停留下來,像給催化劑披上了一層看不見的“保護(hù)膜”,改變了關(guān)鍵位置的反應(yīng)環(huán)境。它就像一名聰明的“門衛(wèi)”,專門守在反應(yīng)的岔路口:水分子想進(jìn)來引發(fā)副反應(yīng)?——不行,攔下!兩個(gè)一氧化碳試圖“串通”生成多余的二氧化碳?——也不行,勸退!而對(duì)于那些正常的、該進(jìn)行的反應(yīng)通道,“門衛(wèi)”則睜一只眼閉一只眼,放行。甚至還能順手“關(guān)掉”某些不太必要的后續(xù)反應(yīng)通道,讓產(chǎn)物更加集中、純凈。這是用最小代價(jià)解決最大問題,體現(xiàn)了化學(xué)工程之美。
這一輕巧的“添加”,帶來的不僅是效率的提升,更是碳資源利用方式的巨大改變。如何讓我國(guó)的傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)走得更遠(yuǎn),這項(xiàng)技術(shù)無疑具有重要意義。更重要的是,這一思路不只適用于鐵基催化劑,也有望推廣到其他反應(yīng)體系中。用微小的添加劑、調(diào)控催化劑表面的微環(huán)境,就能引導(dǎo)出完全不同的反應(yīng)軌跡——這是一種真正“以小博大”的技術(shù)策略,也可能成為未來綠色化工的重要方向。
(作者為中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授)
《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2025年11月22日 06 版)
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