編者按：日前，數千項重大科技成果在國家“十三五”科技創新成就展集中展示，中科院多項成果入選其中。“中科院之聲”特開設《中科院“十三五”科技創新成就展示》專欄，將帶您一起深入瞭解其中的成果，看看這些重大研究背後的故事。
煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置 中科院大連化物所供圖
從理論到實踐的路有多長？
國家“十三五”科技創新成就展上，基礎研究展區到高新技術展區只有區區幾步路，但對位於基礎研究展區的“奈米限域催化”概念而言，為它落地形成高新技術展區的煤經合成氣直接制高值化學品千噸級規模工業試驗裝置，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）的科研人員和合作企業奮鬥了3年。
烯烴、芳烴等高值化學品是化工生產的核心，一直以來，這些基礎化學品主要來自石油。而我國是一個貧油、少氣、相對富煤的國家，大量依賴進口石油來生產液體燃料和化學品關係到國家能源安全。為了解決這一問題，向儲量相對豐富的煤炭要答案成為眾多科研團隊的研究方向。
“我國化學品生產每年消耗約1.2億噸原油，實現煤炭清潔高效轉化具有重要的戰略意義，科技要為‘能源革命’提供支撐。”中國科學院院士包信和說。
費託百年存極限
事實上，業界百年前就發明了煤經合成氣生產高碳化學品和液體燃料的技術。
上世紀20年代，德國科學家費舍爾和託普希建立了費託過程。該過程中，一氧化碳（CO）分子首先被金屬或金屬碳化物催化劑活化解離成碳（C）原子和氧（O）原子，再加氫形成亞甲基中間體，同時放出水分子。亞甲基中間體在開放的催化劑表面聚合生成含不同碳原子數的烴類產物。
歷經百年，費託合成在基礎研究和應用研究領域都取得了重要進展和技術突破，成為煤制油和氣制油的關鍵核心技術。因此，以合成氣為原料直接轉化製備碳原子數為2~4的低碳烯烴產物，費託過程自然成為首選的技術路線。
但傳統費託反應中，合成氣在金屬或金屬碳化物催化劑表面經活化後，反應遵循表面鏈增長機理，導致烴類產物碳原子數分佈寬，目標產物的選擇性低。同時，這一過程需要消耗大量氫氣（H2）移去氧原子，H2往往透過水煤氣變換獲得，而水煤氣變換過程又是一個高水耗、高能耗的過程，同時會釋放出大量二氧化碳（CO2）。
為了提高低碳烯烴產物的選擇性，科學家做了大量探索，透過各種技術對費託催化劑進行改進和修飾，但低碳烯烴產物選擇性一直難以突破費託合成過程產物的理論極限。同時，催化劑活性與選擇性往往存在此消彼長的“蹺蹺板”難題，即催化活性提高後，目標產物選擇性往往較低；提高產物選擇性，其活性又較低。
上世紀90年代，包信和就帶領團隊鎖定能源轉化中的催化基礎研究，瞄準煤、天然氣等非石油資源的轉化利用，致力於創新高效、環境友好的催化過程。歷經20餘年，研究團隊於2016年在《科學》上發表了“合成氣直接轉化制低碳烯烴”重要成果。近日，該成果的理論基礎“奈米限域催化”獲得2020年度國家自然科學獎一等獎。
“距離”產生“美”
在此理念的指導下，研究團隊將合成氣轉化中“活化”與“偶聯”兩個關鍵步驟分開，創制雙功能催化劑，採用介面限域氧化物活化一氧化碳和氫氣，生成的中間體迅速進入分子篩孔道，在奈米孔道限域環境中進行擇形偶聯反應，定向生成低碳烯烴。
也就是說，原本在開放的催化劑表面隨機聚合的步驟被阻斷，取而代之的是中間體被轉移到分子篩孔道內，進行有序組合，從而大大提高了產物的選擇性。“讓兩種催化活性中心在距離上分開但作用上要耦合，讓‘距離’產生‘美’，就是反應的真實寫照。”大連化物所研究員潘秀蓮解釋說。
一變二，看似複雜，實際卻很簡單。
包信和介紹，該成果摒棄了近百年來煤轉化過程採用的傳統費託合成路線，省去了耗水、耗能的水煤氣變換制氫以及水—氫迴圈過程，從原理上開創了一條低耗水進行煤經合成氣一步轉化的新途徑。
該成果被譽為“開創煤制烯烴新捷徑”併入選2016年度中國科學十大進展；從催化原理上突破了近百年來煤化工領域傳統費託過程產物分佈難以逾越的理論極限，大大提高了目標產物的選擇性。《科學》同期以《令人驚奇的選擇性》為題刊發了專家評述文章，認為該過程未來在工業上具有巨大的競爭力。
產品種類有望擴充套件
這項始於上世紀90年代的“奈米限域催化”基礎理論研究為應用實踐指明瞭方向，但探索的道路仍然艱辛。
“從實驗室到工廠並不容易，就像從家裡的小鍋飯到食堂大鍋飯的過程，需要逐步放大。這個過程不只關係到催化劑本身，也是一個系統工程。”潘秀蓮說。
基礎研究成果發表之後，在中國科學院院士、時任大連化物所所長張濤的推動下，包信和、潘秀蓮領導的基礎研究團隊與中國工程院院士、大連化物所所長劉中民帶領的應用開發研究團隊通力合作，組建形成技術攻關小組。
而後，基於該項創新成果，大連化物所進一步與陝西延長石油（集團）有限責任公司（以下簡稱延長石油集團）合作，建立了世界首套千噸級規模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置。2019年完成單反應器試車，催化劑效能和反應過程的多項重要引數超過設計指標，總體效能優於實驗室水平。2020年成功完成工業全流程試驗，進一步驗證了該技術路線的先進性和可行性。
這一過程中，研究團隊頻繁奔波於陝西榆林工業試驗現場與大連實驗室，經常在工廠一待就是兩三個月之久。
“專案團隊正在對工藝流程和分離系統進行最佳化設計，全力加速工程化轉化和工業示範，儘早將該技術產業化。”延長石油集團總工程師扈廣法表示。
“該成果是在理論基礎上結出的果實。”潘秀蓮表示，原理上透過調變氧化物和分子篩雙功能催化劑的組成、結構、性質及其匹配耦合，實現產物分子的可控調變。目前，團隊成功拓展OXZEO催化劑設計思想，在實驗室完成了系列高值化學品和燃料的定向合成，如芳烴、汽油、液化石油氣等，初步建立了煤經合成氣直接轉化的新技術平臺。
包信和介紹，該技術的產業化程序，將為我國進一步擺脫對原油進口的依賴、實現煤炭清潔利用提供一條全新的技術路線。
來源：中國科學報
