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，我國目前在煤炭轉化領域有什么突破性的進展，對“雙碳”目標的實現又有什么貢獻呢?今天就由中國科學院大連化學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，國家杰出青年科學基金獲得者。主要致力于能源轉化過程中的催化作用基礎研究，以第二完成人參與完成的“納米限域催化”項目，獲得2020年度國家自然科學獎一等獎，實現了合成氣直接制低碳烯烴等高值化學品的新過程。
生活中的各種塑料制品都來自石油化工業
圖片來源：Veer
問 ：您認為實現“雙碳”目標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、風能等。另一個途徑就是節能減排，用更先進的技術取代不夠清潔高效的技術，就可以減少能源損耗，降低二氧化碳的排放。
例如，我們現在認為煤炭是不清潔的能源，實際上我們如果能有更先進的技術，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的燃料之外，還有很多是用來制造化學品的。那么，有沒有可能利用相對富裕的煤去制造這些化學品，就是我們要研究的一個重要方面。
煤不僅可以用作燃料，還可以把它轉化成附加值比較高的化學品 ，例如我們比較關心的低碳烯烴這類物質。低碳烯烴包括乙烯、丙烯等，用處非常廣，我們日常生活中使用的各種塑料都與它們相關，例如聚乙烯，聚丙烯等。當然，把煤變成我們交通工具中用的燃料油，也是可以的。
問 ：請您結合課題組的工作內容給大家介紹一下煤制低碳烯烴。
答 ：1925年的時候，兩位德國科學家發明了費托合成技術，成為煤制油的關鍵技術。費托合成技術就是把煤變為合成氣(一氧化碳和氫氣的混合氣)，然后再轉化為合成燃料，例如汽油、柴油等。這些油品的本質是碳氫化合物，而低碳烯烴也是碳氫化合物，所以人們就想將這一技術作為藍本，進行一些改進和修飾，來合成碳鏈相對短一點的烯烴。
費托合成技術合成的燃料(左)和傳統燃料(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 ：主要是產物的選擇性 。傳統的費托合成技術使用鐵、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展？
答 ：我們新發明的技術在這兩個方面都有所突破。
首先，我們使用的催化劑與傳統催化劑不同，具有雙功能 。它可以先把一氧化碳和氫活化，結合成中間體，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，有效控制產物的碳鏈長度。2016年的時候，我們的選擇效率就做到了80%，現在可以做到高于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 ，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，反應過程中不再需要添加水、排放廢水。
2016年我們取得了基礎研究的成果，發表了論文;2019年跟合作企業在陜西開展了工業性實驗，規模年產量達到千噸級，這一試驗在2020年完成。目前，我們跟企業還在做進一步的溝通合作，進行催化劑的更新迭代和工藝流程的優化。在催化劑更新迭代方面，我們希望能夠進一步提升選擇效率的同時，降低水耗和能耗。在流程優化方面，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，千噸級煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置
圖片來源：中科院大連化物所
問 ：這項技術的使用與實現“雙碳”目標會產生怎樣的聯系呢？
答 ：這項技術會對“雙碳”目標的實現有貢獻。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。
問 ：是什么原因能夠讓我們的科技創新取得突破呢？
答 ：國際上有非常多的科學家在研究這一領域，但一直沒有突破。我認為的原因是理論受限。如果用傳統催化劑，它的反應機理是固定的，按照這個機理，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下，才能做出催化劑的創新。
