日常生活中，我们经常会用到以烯烃为原料生产的物品，比如塑料杯、保鲜膜等。烯烃的传统生产技术依赖于石油资源，那么如何在节水的条件下用煤生产烯烃？
中科院大连化物所科研人员开创了一条新路径。这项“合成气直接转化制低碳烯烃” OXZEO®原创性基础研究成果于2016年发表在国际顶级学术期刊《科学》（Science）上，并作为重要成果之一获2020年国家自然科学奖一等奖。
“走进中国科学院·记者行——‘科技双碳’服务经济主战场榆林段活动”近日举行。中科院大连化物所研究员潘秀莲讲述了这段“十年磨一剑”的科研过程和最新进展。
陕西榆林，千吨级煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置。受访者供图
十年磨一剑，合成气“一步”生产烯烃
乙烯、丙烯等低碳烯烃是现代化学工业的基石，日常生活中的塑料杯、保鲜膜、吸管等都是以烯烃为原料生产出来的。烯烃的传统生产技术高度依赖于石油资源，而我国能源资源的特点为“富煤、贫油、少气”。
根据国家自然资源部统计数据，目前我国煤炭探明可采储量超过2440亿吨，2021年我国原煤产量为40.7亿吨，随着探明量的不断增加，煤炭资源将会为我国未来100年的能源安全起到“定海神针”的作用。在“双碳”背景下，如何将煤炭资源高效清洁转化为化学品，即尽可能少耗能、少耗水、低排放地实现煤炭转化，是当前能源和资源领域面临的重大需求和挑战。
合成气是一氧化碳和氢气的混合气，可由煤、天然气或生物质气化得到。“费托合成”过程是以合成气为原料，在催化剂和适当条件下合成液态的烃或碳氢化合物的工艺过程，曾被奉为煤化工领域的“圣经”。曾经，要想把煤转化为液体燃料和其他化学品，费托反应是不二选择。这一反应从原理上涉及一个水循环：由于煤气化得到的合成气中氢气浓度较低，要用水与一氧化碳反应去制取更多氢气，同时会产生废水。最主要的是，经典费托合成中低碳烃（含二个到四个碳原子的碳氢化合物）的选择性最高仅为58%。
在合成气催化转化研究中，中科院大连化物所包信和院士和潘秀莲研究员领导的团队摒弃了煤化工领域延用90多年的费托合成技术路线，利用纳米限域催化新概念，创立OXZEO催化剂和催化体系，实现了煤经合成气直接转化制低碳烯烃等高值化学品，低碳烯烃选择性超过了80%。
据潘秀莲介绍，这一成果省去了水煤气变换制氢过程以及中间产物合成等单元，工艺流程短，可显著降低工艺水耗、过程能耗，同时降低二氧化碳的排放，在催化原理上突破了近百年来传统费托合成产物分布难以逾越的ASF理论极限，将引领高效、节水煤化工发展新方向。
相关研究成果于2016年发表在国际顶级学术期刊《科学》（Science）上。这一突破性成果得到同行的高度评价和认可，被誉为“里程碑式新进展”和“开创煤制烯烃新捷径”，入选2016 年度“中国科学十大进展”，并作为重要内容之一，获2020年国家自然科学奖一等奖。
这一成果的取得，用了近十年的时间。潘秀莲说，早在2007年，研究团队就提出了采用双功能耦合催化剂体系，探索合成气直接转化制烯烃的构想。让科研人员意想不到的是，这条路却是无比的艰辛和漫长。但是团队没有放弃，他们另辟蹊径，将控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心分开并保持一定距离，从而形成了一种复合的双功能催化剂体系，实现了高活性和高选择性的“双赢”。
从基础研究取得突破到完成千吨级全流程工业试验，只用了4年
如何推动科技成果从实验室快速走向应用开发？中科院大连化物所包信和院士和潘秀莲领导的基础研究团队和刘中民院士领导的应用研究团队展开合作，组建技术攻关小组，并与陕西延长石油（集团）有限责任公司进行合作。
“最初我们过来看的时候，这里是一片空地，但企业非常支持，千吨级合成气直接转化制低碳烯烃工业试验装置很快拔地而起。”潘秀莲说。经过多方协力攻坚，2019年9月，单反应器一次投料成功。2020年9月完成全流程工业试验，性能指标超过了设计水平，低碳烯烃（乙烯、丙烯和丁烯）选择性达77.9%，验证了技术的先进性和可行性。从实验室发表原创性基础研究成果到完成千吨级全流程工业试验仅用了四年时间。
“催化剂从实验室的几百毫克放大到吨级，并完成了千吨级工业性试验，可以说这速度是非常快的。”潘秀莲说，这得益于基础与应用研究团队强强联合，与企业产研融合、协同攻关的合作模式。
正优化催化剂，初步建成合成气直接转化新技术平台
“千吨级全流程工业试验装置可以说是‘麻雀虽小，五脏俱全’，能把工业化可能遇到的问题全部暴露出来，并提前验证解决。”陕西延长石油（集团）科技部部长王军峰介绍，按照工程经验，公司计划按照30万吨-60万吨规模进行产业化放大。目前，项目团队正持续优化催化剂，同时对工艺流程和分离系统进行优化设计，力争早日实现该技术的产业化。“作为龙头装置，其可以把合成气高效转化为乙烯和丙烯，往下游可以制成聚烯烃，用来生产塑料制品等。随着后续产品的丰富，附加值也将越来越大。”
团队进一步拓展研究，实现了其他基础化学品和燃料的定向合成，如乙烯、汽油、芳烃（BTX）、液化石油气等，初步将OXZEO®技术发展成为继费托技术平台、甲醇技术平台之后的第三个合成气转化技术平台。
潘秀莲说，这项技术的创新之处就在于它将“反应物分子的活化”与“中间体碳-碳键偶联”这两个关键步骤分开在两种活性中心上进行。首先，合成气在金属氧化物催化剂上变成活泼的中间体，随后，中间体小分子在“笼子”（沸石分子筛孔道）中按照一定规则组装形成产物。
这样，金属氧化物催化剂决定了中间体的种类及生成的速率，分子筛孔道大小、结构及其环境性质决定了最终得到什么产物。按照设想，大孔道里可以得到较大分子的产品，比如汽油；小孔道里可以得到较小分子的产品，比如乙烯、丙烯。因此，通过调变氧化物和分子筛及两者之间的匹配耦合，就有可能实现产品组成的调控，合成气制烯烃的体系也将由此拓展到制芳烃、制汽油等领域。这一成果如能成功实现工业化，将给我国的煤化工领域带来新的革命性影响。
新京报记者 张璐
编辑 陈静 校对 李立军