生活中常見的塑料和化纖等制品，都來源于小分子的烯烴(低碳烯烴)，這些小分子烯烴一般是從石油中制得的。但是，我國的資源稟賦特點是富煤貧油，如果能用煤炭來制備低碳烯烴，不僅可以改善對石油的依賴，還可以提升煤炭的附加值，是一舉兩得的好事!
那么，我國目前在煤炭轉(zhuǎn)化領(lǐng)域有什么突破性的進(jìn)展，對“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)又有什么貢獻(xiàn)呢?今天就由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所潘秀蓮研究員帶我們共同解讀。
專家介紹
潘秀蓮
研究員，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。主要致力于能源轉(zhuǎn)化過程中的催化作用基礎(chǔ)研究，以第二完成人參與完成的“納米限域催化”項目，獲得2020年度國家自然科學(xué)獎一等獎，實現(xiàn)了合成氣直接制低碳烯烴等高值化學(xué)品的新過程。
生活中的各種塑料制品都來自石油化工業(yè)
圖片來源：Veer
問 ：您認(rèn)為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有哪些比較重要的途徑？
答 ：一個途徑就是使用可再生能源，包括光能、風(fēng)能等。另一個途徑就是節(jié)能減排，用更先進(jìn)的技術(shù)取代不夠清潔高效的技術(shù)，就可以減少能源損耗，降低二氧化碳的排放。
例如，我們現(xiàn)在認(rèn)為煤炭是不清潔的能源，實際上我們?nèi)绻苡懈冗M(jìn)的技術(shù)，也可以在使用煤炭時盡量降低二氧化碳排放。
圖片來源：Veer
問 ：對于煤炭來說，除了直接燃燒之外，還有什么利用方式呢？
答 ：我們國家能源稟賦特點是貧油少氣，相對來說是富煤的。現(xiàn)在石油的對外依存度超過了70%，這些石油除了用于交通運輸?shù)娜剂现猓€有很多是用來制造化學(xué)品的。那么，有沒有可能利用相對富裕的煤去制造這些化學(xué)品，就是我們要研究的一個重要方面。
煤不僅可以用作燃料，還可以把它轉(zhuǎn)化成附加值比較高的化學(xué)品 ，例如我們比較關(guān)心的低碳烯烴這類物質(zhì)。低碳烯烴包括乙烯、丙烯等，用處非常廣，我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫母鞣N塑料都與它們相關(guān)，例如聚乙烯，聚丙烯等。當(dāng)然，把煤變成我們交通工具中用的燃料油，也是可以的。
問 ：請您結(jié)合課題組的工作內(nèi)容給大家介紹一下煤制低碳烯烴。
答 ：1925年的時候，兩位德國科學(xué)家發(fā)明了費托合成技術(shù)，成為煤制油的關(guān)鍵技術(shù)。費托合成技術(shù)就是把煤變?yōu)楹铣蓺?一氧化碳和氫氣的混合氣)，然后再轉(zhuǎn)化為合成燃料，例如汽油、柴油等。這些油品的本質(zhì)是碳?xì)浠衔铮吞枷N也是碳?xì)浠衔铮匀藗兙拖雽⑦@一技術(shù)作為藍(lán)本，進(jìn)行一些改進(jìn)和修飾，來合成碳鏈相對短一點的烯烴。
費托合成技術(shù)合成的燃料(左)和傳統(tǒng)燃料(右)對比
圖片來源：wikipedia
問 ：把煤直接制成低碳烯烴主要有哪些難點？
答 ：主要是產(chǎn)物的選擇性 。傳統(tǒng)的費托合成技術(shù)使用鐵、鈷等金屬做催化劑，具有開放的表面。一氧化碳在這個表面上活化之后生成一系列中間體，由于表面的開放性，這些中間體可以隨機(jī)連接起來，生成長短不一的碳鏈，理論上，這些碳鏈的長度是無法控制的。理論計算表明，我們所需要的二碳到四碳烯烴的產(chǎn)量只有60%以下，選擇效率比較低。
還有一個問題在于，一氧化碳是由一個碳原子和一個氧原子組成的，但低碳烯烴并不含氧，因此需要把氧拿走。傳統(tǒng)方法是用氫把氧拿走，而氫來自于水，因此這個過程需要消耗大量的水，還要多進(jìn)行一步水煤氣變換，增加了能耗。
問 ：目前我們在這兩個難點上有什么突破性的進(jìn)展？
答 ：我們新發(fā)明的技術(shù)在這兩個方面都有所突破。
首先，我們使用的催化劑與傳統(tǒng)催化劑不同，具有雙功能 。它可以先把一氧化碳和氫活化，結(jié)合成中間體，再配合它的分子篩功能，把中間體限制在分子篩的孔道里面，通過孔道的限域作用，有效控制產(chǎn)物的碳鏈長度。2016年的時候，我們的選擇效率就做到了80%，現(xiàn)在可以做到高于90%，這是一個很大的突破。
另外，我們不再用氫拿走一氧化碳里面的氧，而是通過另一個一氧化碳來實現(xiàn) ，這樣就少了水煤氣變換，可以減少流程并降低能耗，碳排放就會相對減少。同時，反應(yīng)過程中不再需要添加水、排放廢水。
2016年我們?nèi)〉昧嘶A(chǔ)研究的成果，發(fā)表了論文;2019年跟合作企業(yè)在陜西開展了工業(yè)性實驗，規(guī)模年產(chǎn)量達(dá)到千噸級，這一試驗在2020年完成。目前，我們跟企業(yè)還在做進(jìn)一步的溝通合作，進(jìn)行催化劑的更新迭代和工藝流程的優(yōu)化。在催化劑更新迭代方面，我們希望能夠進(jìn)一步提升選擇效率的同時，降低水耗和能耗。在流程優(yōu)化方面，我們希望在流程上更加高效的同時，做到更加低碳、更加清潔。
陜西榆林，千噸級煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗裝置
圖片來源：中科院大連化物所
問 ：這項技術(shù)的使用與實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)會產(chǎn)生怎樣的聯(lián)系呢？
答 ：這項技術(shù)會對“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)有貢獻(xiàn)。第一，工藝流程縮短意味著能耗會降低，也就意味著二氧化碳排放量可以降低。第二，我們減少了水耗和廢水排放，這也是很重要的貢獻(xiàn)。
問 ：是什么原因能夠讓我們的科技創(chuàng)新取得突破呢？
答 ：國際上有非常多的科學(xué)家在研究這一領(lǐng)域，但一直沒有突破。我認(rèn)為的原因是理論受限。如果用傳統(tǒng)催化劑，它的反應(yīng)機(jī)理是固定的，按照這個機(jī)理，就一定會存在理論極限，很難突破。這也是我們開始的時候走了很多彎路，一直沒有突破的原因。
所以，我們后來選擇采用完全不一樣的原創(chuàng)概念催化體系 ，包括雙功能分離的概念和納米限域催化理論。正是在全新理論的指導(dǎo)下，才能做出催化劑的創(chuàng)新。
