新型催化剂驱动绿色制造新未来 | 推广

更高效的催化剂与更环保的氢能技术正成为中国科研机构与企业在清洁与低碳技术领域携手攻坚的关键目标。

煤炭是地球上储量极大的重要能源之一，如何能够更加环保地利用煤炭生产“绿色”化学品，直至化学品生产逐步过渡到更环保的原料，是煤基能源的发展趋势。

国家能源集团北京低碳清洁能源研究院（简称低碳院）的一项新研究或将为此带来进展——成功开发出一种新型催化剂，能够将合成气（可来源于煤炭、天然气或生物质等可再生碳资源）高效转化为线性α-烯烃（LAO），并大幅减少二氧化碳排放。这一高附加值化学品也是高端聚合物材料、合成润滑油以及常见家用清洁剂的重要成分。相关研究成果已于2024年发表在《自然》上^1,2。

高质量化学品

低碳院院长赵喆表示：“我们的挑战在于探索更清洁、更高效的方式，推动煤炭、天然气等化石资源的低碳转化，使其从传统燃料和原材料向高价值化学品升级。”除了开发LAO生产的新型催化剂外，低碳院还在氢能领域持续深耕，同时积极研发矿井水保护与利用的先进解决方案。

煤炭转化为液体燃料和化学品的探索，可追溯至1925年德国科学家提出的费托合成（Fischer-Tropsch）工艺。该技术通过催化反应，将煤炭、天然气或生物质生成的合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）转化为液体烃类及LAO。

然而，尽管费托合成工艺已被广泛应用于燃料生产，LAO的工业化生产仍几乎完全依赖石油基原料。传统方式需先通过裂解工艺将大分子烃裂解成小分子，再重组生成LAO。

这一困境的核心问题，在于现有催化剂的局限性。目前用于合成气转化技术的催化剂多以钴或铁为主。其中，钴资源的分布具有区域性，开采难度高，且因钴在其他行业中需求旺盛，价格昂贵。相比之下，铁储量丰富、成本低廉，更适用于工业化，但传统铁基催化剂在反应过程中会产生大量二氧化碳。

低碳院催化剂专家、该新型催化剂的研发者之一王鹏深知，二氧化碳的排放将对环境产生深远影响，同时反应过程中产生的二氧化碳不仅会“降低目标烃类的产率，还会显著增加能耗”。

开发与应用

王鹏的研究目标与2009年低碳院成立的初衷一致——开发并应用低碳技术。他的研究发现，传统催化剂中的氧化铁，是CO转化为CO₂中二氧化碳高排放的主要影响因素。

在与荷兰埃因霍芬理工大学（Eindhoven University of Technology）研究人员展开紧密合作后，王鹏团队成功开发出一种不含氧化铁的铁碳化物催化剂。这一创新使反应过程中更倾向于生成水而非二氧化碳，从而显著降低二氧化碳排放³。

为进一步优化这一催化剂，团队系统筛选了六类不同类型的铁碳化物，开发出128种催化剂配方，并在实验室中进行了测试，以评估其合成气清洁高效转化性能。

借助环境透射电子显微镜（ETEM），研究团队实时监测铁碳化物的形成过程，成功合成出优化的催化剂——纯相χ-Fe₅C₂。这种特别纯净的铁碳化物拥有单一且明确的晶体结构。王鹏表示，“其催化活性比传统铁催化剂高两个量级。”

低碳院煤间接液化中心主任、煤化工专家门卓武补充道：“这一催化剂不仅结构纯净，制备工艺亦十分简洁，且在费托合成典型的中高温温度范围内保持优异性能。”

此外，该催化剂通过极大减少副反应的发生，显著降低了催化剂表面的碳沉积问题，进一步提升了催化剂的效率。

多种技术

与此同时，低碳院正致力于多元化技术的研发，以推动清洁和低碳能源的未来发展。例如，聚焦氢能产业中绿氢制取、液化、加注等环节，已经开发了新一代碱性电解槽、低能耗氢气液化、液氢增压泵、高压氢气压缩机、加氢机等关键装备及相关材料技术。

与此同时，低碳院正在探索煤矿矿井水保护与利用技术，致力于提高矿井水的利用率。

这些广泛的研究工作得益于低碳院作为国家能源集团（China Energy Investment Group）的直属研发机构，得到了来自集团公司多年来持续不断的支持。国家能源集团拥有煤炭、电力、化工、运输等全产业链业务，煤炭产销量、电力装机容量、风力发电装机容量、煤制油煤化工规模世界第一。

赵喆说，国家能源集团具有丰富的应用场景，工业领域应用创新通过“出题-答题-阅卷”的循环模式，能够很好地发现行业挑战、制定解决方案并快速将实验室研发转化为实际应用成果。

定制化催化剂

王鹏及其团队正致力于将这一催化剂从实验室推广至工业化生产。门卓武说，团队已成功在中试规模实现10公斤级催化剂的生产并计划进行百吨级的合成气制LAOs放大规模试验，在2026年前完成万吨级的工业化示范，并开展更大规模工业化推广。

此外，团队还计划开发一系列纯相铁碳化物催化剂，专门用于利用以煤炭为初始来源的合成气，生产碳中和燃料、烯烃、芳烃和醇类产品。在煤炭逐步被生物质等更环保的合成气来源替代之前，这一催化剂需配合碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，以捕获煤炭制合成气过程中产生的二氧化碳。

展望未来，赵喆表示：“在‘双碳’战略目标的引领下，低碳院将继续深化技术创新，为全球能源体系的低碳转型贡献力量。”

参考文献：

1. Wang, P., et al. Nature 635, 102–107 (2024). 

2. Esposito, D., Nature Catalysis 7, 1143 (2024). 

3. Wang, P., et al. Sci. Adv. 4, eaau2947 (2018). 

了解更多：

+86-10-57595508

www.nicenergy.com

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