突破百年瓶颈 中国科学家发明新一代催化剂 破解煤化工业中的“跷跷板”难题

你相信煤能变成“水”吗？近日，中国科学家在这一领域取得了新的突破。不过，这里说的“水”不是真正意义上的水，而是一类液体物质 —— 烯烃。对于烯烃，除了在高中化学课本上见到过，很多人可能都比较陌生。其实，我们日常生活中常见的各种塑料制品，比如鞋子、衣物、手机、饮料瓶，都是以烯烃为原料制成的。

煤炭变“水”早有办法

烯烃是一类重要的化工原料，前面提到的生活中常见的塑料制品的制造都需要烯烃。目前，在化工领域，广泛采用的烯烃制取方法是通过石油制取烯烃。而中国是个石油储量相对较少的国家，如果想满足生产的需要，需要进口更多的石油，影响到中国的能源安全。

因此，一些科学家想到了通过煤炭制取烯烃的新方向。相比于石油，中国的煤炭资源比较丰富，目前煤炭主要用作能源物质。

随着近年低碳环保理念深入人心、国家计划实现“双碳”双碳战略，绿色环保地利用煤炭资源成了科学研究的新方向。从环保的角度来说，通过煤炭制取烯烃，正是煤炭绿色利用的新方式。

把煤炭、石油、天然气等中含有的碳氢化合物与氧化剂反应，可以生成一氧化碳和和氢气的混合物，被称为合成气。合成气再经过一系列的化学反应，就会转化为烯烃等重要化工原料。而在现实的化工生产中，通过煤炭制取烯烃的关键是催化剂。

2016 年，中国科学院大连化物所的研究团队改变了传统催化剂中的活性组分，由金属或金属碳化物变为金属氧化物和分子筛的复合催化剂 ——OXZEO。结果，在制取烯烃的过程中，烯烃的选择率（代表了反应产物的单一性）达到了 80%。

不过，OXZEO 催化剂也不是完美无缺 —— 在 OXZEO 催化的反应中，反应物一氧化碳的转化率只有 17%。这意味着，一氧化碳的反应活性不高，想要制取足够的烯烃，需要大量一氧化氮，会提升成本。

新一代 OXZEO 催化剂

打破反应“跷跷板”

为此，中科院大连物化所的科学家又开展了进一步的研究。他们发现，初代 OXZEO 催化剂提升了烯烃的选择率，却没有提升一氧化碳的转化率是因为，催化剂不仅催化了生成烯烃的主反应，还催化了两个副反应。这样一旦一氧化碳的转化率提高了，就会有更多的其他产物通过副反应生成，进而降低烯烃的选择率。因此，在保证烯烃的选择率的前提下，只能选择降低一氧化碳的转化率。

针对初代 OXZEO 催化剂的这一问题，研究团队在原有分子筛的基础上，制备了基于金属锗离子的微孔分子筛，减少了副反应的发生，在保证烯烃的选择性大于 80%（最高达到了 83%）的同时，一氧化碳的转化率也达到了惊人的 85%，提升了反应效率。

这项研究发表在 2023 年 5 月 19 日的《科学》（Science）杂志上，这一突破性进展彻底颠覆了百余年来煤化工业固有的生产方式，成功解决了传统催化反应中难以同时提高活性与选择性的“跷跷板”难题，而且大幅度降低了水和能量的消耗。

（梅林）