我国的科研人员首先将煤炭转化为合成气,然后进一步将合成气通过费托反应转化为液体能源,例如汽油、柴油和芳烃等。
通常,我们会把煤炭、石油,甚至生物质等碳氢化合物与氧化剂(比如氧气、水蒸气)进行部分氧化和水煤气变换等化学反应,这样就生成了合成气。
这种特殊的气体,在化工领域中有着广泛的应用,是合成液体燃料过程中的重要原料,这些重要过程就包含费托合成。
费托合成(Fischer-Tropsch synthesis)是一种独特的化学过程,其主要目的是将合成气转化为液态燃料和其他有价值的化学品。
在这个厨房里,我们的合成气就是“食材”,经过一系列的化学反应(在催化剂的作用下),我们可以制作出“美味佳肴”——液态燃料。
用不同量的西红柿与鸡蛋,通过一系列不同的烹饪手段,它们既可以变成西红柿炒鸡蛋,又可以变成西红柿鸡蛋汤,甚至可以变成西红柿鸡蛋饼。
当我们在处理一些能产生多种产物的复杂反应时,我们希望得到的是尽可能多且纯净的目标产物,但多数催化剂体系的活性和选择性(选择性代表产物的单一性)会存在“跷跷板效应”。
在跷跷板的两端,一端是反应的活性,一端是反应的选择性,活性提高了,选择性就要降低,进而导致目标产物的收率不高。
经过近 90 年的发展,在合成气制低碳烯烃的体系中,低碳烯烃产物的选择性一直难以突破理论极限(58%),且该催化体系存在严重的跷跷板效应。
中科院大连化物所的包信和院士及潘秀莲研究员团队发现,跷跷板效应出现限制的根源在于,当前的分子筛不仅催化了主反应(碳-碳“手拉手”转化生成低碳烯烃),还同时催化了两种副反应(低碳烯烃与其他物质结合生成低价值的烷烃、低碳烯烃群体“手拉手”生成大分子烯烃)。
所以,他们将把催化剂中的活性组分从传统的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 。这种新的催化剂在保持低碳烯烃选择性大于80%(最高为83%)的同时,单程一氧化碳的转化率达到了惊人的85%,实现了低碳烯烃收率(收率指的是实际产量与理论产量的比值)达到48%的国际最优水平。
包信和院士及其团队成功扩展了OXZEO催化剂的设计思维,并初步构建了煤经合成气直接转化的创新技术平台。
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