国际化工界90多年来一直沿袭、被视为不可替代的费托(F-T)过程,如今被中国科学家颠覆。据介绍,德国科学家费舍尔和托普希1923年发明了煤经合成气生产高碳化学品和液体燃料的费托过程。该过程并不完美,除产生大量的二氧化碳以外,还要消耗大量的水,且产物选择性差,后续处理消耗大量能量。
全国人大代表、中国科学院大连化学物理研究所研究员包信4日表示,他们摒弃了高水耗和高能耗的水煤气变换制氢过程,创造性地直接采用煤气化产生的合成气,高选择性地一步反应获得低碳烯烃。这项技术发明也因此被业界认为是“煤转化领域里程碑式的重大突破”。
与费托过程不同,包信和研究团队创制的过程采用部分还原的复合氧化物作催化剂,CO分子在催化剂氧缺陷位上吸附并解离,气相氢分子选择性地与解离生成的C原子反应生成亚甲基自由基,而催化剂表面CO解离生成的氧原子倾向于与另一个CO反应,形成CO2。亚甲基自由基不在催化剂表面停留或发生表面聚合反应,而是迅速进入分子筛孔道,在孔道限域环境中进行择形偶联反应,定向生成低碳烯烃。
同时,这一新过程通过创造性将氧化物催化剂与分子筛复合,巧妙地实现CO活化和中间体偶联等两种催化活性中心的有效分离,把费托过程中“漫无目的”生长的自由基控制在一个“笼子”(分子筛)里,使其变成想要的目标产物(低碳烯烃),破解了传统催化反应中活性与选择性此长彼消的“跷跷板”难题,为高效催化剂和催化反应过程的设计提供了指南。
烯烃是重要的化工原料,高端如航天飞机,日常如生活用品,所用的塑料都是从烯烃生产而来。国内外大都采用石油生产烯烃,而对于60%以上石油需要进口、能源结构以煤为主且水资源日益短缺的中国而言,在煤制烯烃领域取得这一新突破的重要性不言而喻。
(关键字:我国 煤化工研究 获 里程碑式突破)