日常生活中，我們經常會用到以烯烴為原料生產的物品，比如塑膠杯、保鮮膜等。烯烴的傳統生產技術依賴於石油資源，那麼如何在節水的條件下用煤生產烯烴？
中科院大連化物所科研人員開創了一條新路徑。這項“合成氣直接轉化制低碳烯烴” OXZEO®原創性基礎研究成果於2016年發表在國際頂級學術期刊《科學》（Science）上，並作為重要成果之一獲2020年國家自然科學獎一等獎。
“走進中國科學院·記者行——‘科技雙碳’服務經濟主戰場榆林段活動”近日舉行。中科院大連化物所研究員潘秀蓮講述了這段“十年磨一劍”的科研過程和最新進展。
陝西榆林，千噸級煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置。受訪者供圖
十年磨一劍，合成氣“一步”生產烯烴
乙烯、丙烯等低碳烯烴是現代化學工業的基石，日常生活中的塑膠杯、保鮮膜、吸管等都是以烯烴為原料生產出來的。烯烴的傳統生產技術高度依賴於石油資源，而我國能源資源的特點為“富煤、貧油、少氣”。
根據國家自然資源部統計資料，目前我國煤炭探明可採儲量超過2440億噸，2021年我國原煤產量為40.7億噸，隨著探明量的不斷增加，煤炭資源將會為我國未來100年的能源安全起到“定海神針”的作用。在“雙碳”背景下，如何將煤炭資源高效清潔轉化為化學品，即儘可能少耗能、少耗水、低排放地實現煤炭轉化，是當前能源和資源領域面臨的重大需求和挑戰。
合成氣是一氧化碳和氫氣的混合氣，可由煤、天然氣或生物質氣化得到。“費託合成”過程是以合成氣為原料，在催化劑和適當條件下合成液態的烴或碳氫化合物的工藝過程，曾被奉為煤化工領域的“聖經”。曾經，要想把煤轉化為液體燃料和其他化學品，費託反應是不二選擇。這一反應從原理上涉及一個水迴圈：由於煤氣化得到的合成氣中氫氣濃度較低，要用水與一氧化碳反應去製取更多氫氣，同時會產生廢水。最主要的是，經典費託合成中低碳烴（含二個到四個碳原子的碳氫化合物）的選擇性最高僅為58%。
在合成氣催化轉化研究中，中科院大連化物所包信和院士和潘秀蓮研究員領導的團隊摒棄了煤化工領域延用90多年的費託合成技術路線，利用奈米限域催化新概念，創立OXZEO催化劑和催化體系，實現了煤經合成氣直接轉化制低碳烯烴等高值化學品，低碳烯烴選擇性超過了80%。
據潘秀蓮介紹，這一成果省去了水煤氣變換制氫過程以及中間產物合成等單元，工藝流程短，可顯著降低工藝水耗、過程能耗，同時降低二氧化碳的排放，在催化原理上突破了近百年來傳統費託合成產物分佈難以逾越的ASF理論極限，將引領高效、節水煤化工發展新方向。
相關研究成果於2016年發表在國際頂級學術期刊《科學》（Science）上。這一突破性成果得到同行的高度評價和認可，被譽為“里程碑式新進展”和“開創煤制烯烴新捷徑”，入選2016 年度“中國科學十大進展”，並作為重要內容之一，獲2020年國家自然科學獎一等獎。
這一成果的取得，用了近十年的時間。潘秀蓮說，早在2007年，研究團隊就提出了採用雙功能耦合催化劑體系，探索合成氣直接轉化制烯烴的構想。讓科研人員意想不到的是，這條路卻是無比的艱辛和漫長。但是團隊沒有放棄，他們另闢蹊徑，將控制反應活性和產物選擇性的兩類催化活性中心分開並保持一定距離，從而形成了一種複合的雙功能催化劑體系，實現了高活性和高選擇性的“雙贏”。
從基礎研究取得突破到完成千噸級全流程工業試驗，只用了4年
如何推動科技成果從實驗室快速走向應用開發？中科院大連化物所包信和院士和潘秀蓮領導的基礎研究團隊和劉中民院士領導的應用研究團隊展開合作，組建技術攻關小組，並與陝西延長石油（集團）有限責任公司進行合作。
“最初我們過來看的時候，這裡是一片空地，但企業非常支援，千噸級合成氣直接轉化制低碳烯烴工業試驗裝置很快拔地而起。”潘秀蓮說。經過多方協力攻堅，2019年9月，單反應器一次投料成功。2020年9月完成全流程工業試驗，效能指標超過了設計水平，低碳烯烴（乙烯、丙烯和丁烯）選擇性達77.9%，驗證了技術的先進性和可行性。從實驗室發表原創性基礎研究成果到完成千噸級全流程工業試驗僅用了四年時間。
“催化劑從實驗室的幾百毫克放大到噸級，並完成了千噸級工業性試驗，可以說這速度是非常快的。”潘秀蓮說，這得益於基礎與應用研究團隊強強聯合，與企業產研融合、協同攻關的合作模式。
正最佳化催化劑，初步建成合成氣直接轉化新技術平臺
“千噸級全流程工業試驗裝置可以說是‘麻雀雖小，五臟俱全’，能把工業化可能遇到的問題全部暴露出來，並提前驗證解決。”陝西延長石油（集團）科技部部長王軍峰介紹，按照工程經驗，公司計劃按照30萬噸-60萬噸規模進行產業化放大。目前，專案團隊正持續最佳化催化劑，同時對工藝流程和分離系統進行最佳化設計，力爭早日實現該技術的產業化。“作為龍頭裝置，其可以把合成氣高效轉化為乙烯和丙烯，往下游可以製成聚烯烴，用來生產塑膠製品等。隨著後續產品的豐富，附加值也將越來越大。”
團隊進一步拓展研究，實現了其他基礎化學品和燃料的定向合成，如乙烯、汽油、芳烴（BTX）、液化石油氣等，初步將OXZEO®技術發展成為繼費託技術平臺、甲醇技術平臺之後的第三個合成氣轉化技術平臺。
潘秀蓮說，這項技術的創新之處就在於它將“反應物分子的活化”與“中間體碳-碳鍵偶聯”這兩個關鍵步驟分開在兩種活性中心上進行。首先，合成氣在金屬氧化物催化劑上變成活潑的中間體，隨後，中間體小分子在“籠子”（沸石分子篩孔道）中按照一定規則組裝形成產物。
這樣，金屬氧化物催化劑決定了中間體的種類及生成的速率，分子篩孔道大小、結構及其環境性質決定了最終得到什麼產物。按照設想，大孔道里可以得到較大分子的產品，比如汽油；小孔道里可以得到較小分子的產品，比如乙烯、丙烯。因此，透過調變氧化物和分子篩及兩者之間的匹配耦合，就有可能實現產品組成的調控，合成氣制烯烴的體系也將由此拓展到制芳烴、制汽油等領域。這一成果如能成功實現工業化，將給我國的煤化工領域帶來新的革命性影響。
新京報記者 張璐
編輯 陳靜 校對 李立軍