如何减少对石油的依赖？中国科学家提出“煤制烯烃”新思路 | 科技袁人
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导读
纳米限域催化是一个普适的概念，煤制烯烃只是它的应用之一，将来它的应用不可限量。
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为了减少对进口石油的依赖，大家能想到什么办法？许多人会想到新能源和电动车，还有不少人会想到可控核聚变。这些当然都是重要的，不过它们都集中在代替石油作为能源的应用上面。其实石油还有一大应用，是作为化工原料。中国每年消耗近7亿吨石油，其中有1.2亿吨用在化工生产上（https://www.cas.cn/zkyzs/2021/12/327/cmsm/202112/t20211221_4819027.shtml）。因此，用其他原料生产化学品具有战略价值。
在其他原料中，储量最丰富的就是煤炭。石油的储采比即储量与开采量的比值只有几十年，煤炭的储采比上百年。所以“煤炭制烯烃”这个词听起来平淡无奇，实际上价值巨大，因为大部分化学品就是以烯烃为基础制备出来的，大家经常听到用多少万吨乙烯来衡量化工厂的生产能力。中国科学技术大学校长包信和院士以及他在中国科学院大连化学物理研究所的团队获得了2020年度国家自然科学奖一等奖，主要成果就是煤炭制烯烃。
实际上，业界一百年前就发明了煤炭制烯烃的技术。它就是“费托过程”，以两位发明者、德国科学家费舍尔和托普希命名。在该过程中，一氧化碳（CO）分子首先被金属或金属碳化物催化剂活化解离成碳（C）原子和氧（O）原子，再加氢形成亚甲基（CH2）中间体，同时放出水分子。亚甲基中间体在催化剂表面聚合，生成含不同碳原子数的烃类产物。
费托过程得到了广泛的应用，但它有什么缺点呢？最大的缺点就是选择性低。我们希望生成低碳烯烃，但亚甲基会不停地聚合下去。所以在理论上就可以算出来，2到4个碳的烯烃的比例最高只能到58%（https://www.cas.cn/cm/202111/t20211105_4812752.shtml）。此外，它需要消耗大量的氢气（H2）去移除氧原子，而氢气一般来自水煤气变换。这是一个高水耗、高能耗的过程，同时会放出大量的二氧化碳（CO2），这些都是严重的问题。
一百年来，科学家做了大量的探索来改进费托催化剂，但一直无法让选择性突破理论极限。同时催化剂的活性和选择性往往是跷跷板，一个高了另一个就低了。
说了这么多背景，包信和院士团队的贡献就呼之欲出了：他们提出了一种新的技术路线，克服了费托过程的缺点。这里的关键是“纳米限域催化”，这是他们提出的新的科学原理。实际上，他们自然科学一等奖的名称就是纳米限域催化，是这个科学概念，而不是煤炭制烯烃之类的实用效果。
纳米就是10的-9次方米，大约是10个原子的尺度。纳米限域催化的意思是，当催化剂被限制在纳米级的狭小空间的时候，例如在碳纳米管里面，或者在金属和氧化物的界面上，它的电子结构会发生变化，使得催化活性提高。
例如以前费托反应的选择性不能超过58%，是因为催化剂的表面是开放的，中间体亚甲基的聚合反应随机进行，不能刹车，最终就会生成大量不想要的高碳产物。而现在他们让中间体进入纳米级的分子筛孔道，就可以定向生成低碳烯烃，选择性大大提高（《漫画：中国科学家提出物理化学新概念：纳米限域催化 | Sheldon》）。
此外，以前费托过程是用一种催化剂发挥两种作用：活化和偶联。活化是用CO和H2制备CH2，偶联是让CH2连起来生成烯烃。现在他们把这两步分开用两种催化剂实现，活化用的是界面限域的氧化物，偶联用的是刚才说的分子筛孔道限域。一步变两步，看似复杂了，其实是简单了，因为两步的效率都大大提高。这样就摒弃了费托路线，省去了耗水、耗能的水煤气变换制氢以及水—氢循环过程，开创了一条低耗水进行煤经合成气一步转化的新途径。
这项技术目前还没有大规模应用，而是在进行工业试验。他们与陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，建成了世界首套千吨级的煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置，2020年成功完成了工业全流程试验，验证了可行性和先进性。包老师是个非常诚恳与实在的人，他在面对记者采访时说：“我们现在就是研究到这个程度，也不要夸大（https://www.cas.cn/cm/202111/t20211104_4812456.shtml）。”
在2020年国家科学技术奖中有另一项成果跟它密切相关，然而是已经实际应用的，就是科学技术进步奖一等奖中的“400万吨/年煤间接液化成套技术创新开发及产业化”。看明白区别了吧？这个是煤制油，而包老师团队做的是煤制烯烃。这项煤制油的技术主要是中国科学院山西煤炭化学研究所开发的，基本技术路线还是费托合成，以后有机会再向大家详细介绍。
最后我想说，跟实用效果相比，我更重视中国科学家在提出新概念上的贡献。例如这里的纳米限域催化是一个普适的概念，煤制烯烃只是它的应用之一，将来它的应用不可限量。
以前大家翻开课本，中国科学家的名字屈指可数。近年来，中国科学界已经大有进步，不过大多数人还不知道这些最新进展。我不久前介绍过唐本忠院士发现的“聚集诱导发光”（《科学研究的真正乐趣，在于它的不可预期性 | 科技袁人》），这是纳米发光领域最热的概念之一。如果像纳米限域催化、聚集诱导发光这样由中国科学家开创的领域多起来，我们才能说，中国对世界做出了应有的贡献。
作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 责任编辑：陈昕悦