在化工領(lǐng)域，有一項(xiàng)用了近百年的“老工藝”——費(fèi)托合成。它的本事，是把一氧化碳和氫氣混合而成的“合成氣”，轉(zhuǎn)化成液體燃料和烯烴等有價(jià)值的化工產(chǎn)品。自20世紀(jì)20年代被發(fā)明以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)就成為煤炭、天然氣、生物質(zhì)，甚至二氧化碳等“含碳資源”轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉串a(chǎn)品的重要工具。如今，它依然是全球能源化工領(lǐng)域的骨干成員。
如果把合成氣比作“積木”，費(fèi)托合成的任務(wù)就是把這些積木拼成燃料分子或化工原料。而鐵基催化劑就是這項(xiàng)拼裝工作的“熟練工”。它便宜、好用，適合像煤炭這類“氫少碳多”的原料，因此在我國(guó)化工裝置中幾乎是標(biāo)配。但這個(gè)“工匠”也有老問(wèn)題，它常常走“岔路”：要么讓水和一氧化碳結(jié)合變成氫氣和二氧化碳，要么讓兩個(gè)一氧化碳自己“抱團(tuán)”生成二氧化碳和碳黑。這兩條偏路，導(dǎo)致每生產(chǎn)3份產(chǎn)物，就有一份碳以二氧化碳的形式流失。即使通過(guò)回收尾氣的手段，也很難把碳損降得更低。
要多產(chǎn)烯烴，又少排二氧化碳，這一直是道難題?，F(xiàn)在，科研人員找到了一種聽(tīng)起來(lái)近乎“魔法”的解法：往氣里加一點(diǎn)“料”——百萬(wàn)分之一量級(jí)的鹵代甲烷（比如溴甲烷）。這個(gè)量有多?。坎畈欢嗍且桓姿锛恿艘坏文?。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻令人驚訝：在300攝氏度、5個(gè)大氣壓的條件下，只加入20ppm（百萬(wàn)分之一）的溴甲烷，二氧化碳的生成比例就從30%驟降到不到1%。這一項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所和北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院合作的科研成果，發(fā)表于《科學(xué)》期刊。這項(xiàng)技術(shù)破解了費(fèi)托合成高碳排放難題，為我國(guó)在“雙碳”目標(biāo)下推動(dòng)煤、天然氣、生物質(zhì)等碳資源的綠色轉(zhuǎn)化提供了新路徑。
這背后的原理是什么？原來(lái)，溴原子在催化劑表面停留下來(lái)，像給催化劑披上了一層看不見(jiàn)的“保護(hù)膜”，改變了關(guān)鍵位置的反應(yīng)環(huán)境。它就像一名聰明的“門(mén)衛(wèi)”，專門(mén)守在反應(yīng)的岔路口：水分子想進(jìn)來(lái)引發(fā)副反應(yīng)？——不行，攔下！兩個(gè)一氧化碳試圖“串通”生成多余的二氧化碳？——也不行，勸退！而對(duì)于那些正常的、該進(jìn)行的反應(yīng)通道，“門(mén)衛(wèi)”則睜一只眼閉一只眼，放行。甚至還能順手“關(guān)掉”某些不太必要的后續(xù)反應(yīng)通道，讓產(chǎn)物更加集中、純凈。這是用最小代價(jià)解決最大問(wèn)題，體現(xiàn)了化學(xué)工程之美。
這一輕巧的“添加”，帶來(lái)的不僅是效率的提升，更是碳資源利用方式的巨大改變。如何讓我國(guó)的傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)走得更遠(yuǎn)，這項(xiàng)技術(shù)無(wú)疑具有重要意義。更重要的是，這一思路不只適用于鐵基催化劑，也有望推廣到其他反應(yīng)體系中。用微小的添加劑、調(diào)控催化劑表面的微環(huán)境，就能引導(dǎo)出完全不同的反應(yīng)軌跡——這是一種真正“以小博大”的技術(shù)策略，也可能成為未來(lái)綠色化工的重要方向。（作者 馬丁 中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授）
