導讀

馬丁是北京大學化學與分子工程學院的教授，他的研究方向之一是C1轉化過程的催化體系開發(fā)，例如基于合成氣轉化的費托（Fishcher–Tropsch）合成過程?！蹲匀?化工》就如何通過潛在策略將這一高排放過程重新設計為低碳路徑并推動可持續(xù)化工發(fā)展對他進行了專訪。

Q：費托（Fischer–Tropsch）技術已有近百年的應用歷史。您能否對這一工藝作總體介紹，并談談它對化學工業(yè)的影響？

A：費托合成（Fischer–Tropsch synthesis，FTS）最早由德國科學家弗朗茨·費舍爾（Franz Fischer）和漢斯·特羅普施（Hans Tropsch）于20世紀20年代提出。經過長期發(fā)展，該技術已成為一項在全球范圍內實現工業(yè)化的工藝，可將由一氧化碳（CO）和氫氣（H2）組成的合成氣轉化為液態(tài)烴類產物。它為獲得中碳數烷烴和烯烴提供了一條替代路徑，從而使液體燃料的生產擺脫了對石油資源的單一依賴。

更為重要的是，任何能夠生成合成氣的碳資源——例如煤、天然氣、生物質，甚至二氧化碳或廢塑料——都可以作為原料，為未來循環(huán)碳經濟的發(fā)展提供了新的可能性。此外，費托合成產物具有較高的品質，例如不含硫、氮化物及芳烴，非常適合作為清潔柴油和可持續(xù)航空燃料。

費托合成在南非和卡塔爾被視為戰(zhàn)略性產業(yè)，已實現百萬噸級規(guī)模的工業(yè)化部署。在中國，煤制油（CTL）長期以來是緩解對進口石油依賴的重要技術手段。隨著中國邁向碳中和目標，費托合成不僅是一項具有二十世紀標志意義的關鍵技術，也正在成為實現可持續(xù)燃料與化學品制造未來的重要技術平臺。

Q：在推動費托合成（FTS）向更加可持續(xù)、能效更高且低碳化路徑發(fā)展的過程中，仍面臨哪些主要挑戰(zhàn)？

A：費托合成（FTS）或煤制油（CTL）過程在可持續(xù)性方面面臨的核心困境，可概括為“三高一低”。首先是高碳排放：傳統(tǒng)煤制油工藝每生產1噸燃料大約會排放6噸二氧化碳，顯著高于石油煉制過程。其次是高能耗：合成氣制備及費托合成反應通常在高溫高壓條件下進行，使整體能效僅為30-50%。第三是高耗水：氣化與分離單元均為典型的高耗水過程。最后是低碳利用效率：受Anderson–Schulz–Flory（ASF）分布規(guī)律的限制，費托合成產物的選擇性受限，導致產物碳鏈長度分布較寬。因此，當前費托合成技術對化石原料的高度依賴以及其巨大的能源消耗，與實現碳中和目標在根本上存在沖突。

Q：您能否概述一下目前已采取了哪些策略，以降低費托（FT）工藝對環(huán)境的影響？

A：工業(yè)界已探索多種路徑以減輕費托合成（FTS）對環(huán)境的影響。其中一種重要思路是提升能源利用效率：通過系統(tǒng)集成與余熱回收，將費托反應放出的熱量用于驅動氣化或重整等吸熱步驟，在某些情況下可將整體能效提高至50% 以上。另一項關鍵策略是二氧化碳捕集與封存（CCS），即在氣化過程中對產生的CO2進行捕集并加以封存。然而，該方案通常會使運行成本增加15–30%，其經濟可行性及公眾接受度仍存在爭議。此外，研究還集中在水氣變換反應的優(yōu)化上，通過調控H2/CO 比例以減少碳損失，并借助逆水氣變換反應將CO2回收轉化為有價值的化學品。與此同時，催化劑開發(fā)致力于調控產物選擇性，減少不需要的副產物生成，從而降低后續(xù)分離過程的能耗。

盡管上述策略具有重要意義，但本質上仍屬于“末端治理”方案，即在一定程度上緩解環(huán)境負擔，卻難以實現真正的低碳甚至零碳運行。這一現實凸顯了該領域亟需更加具有變革性的創(chuàng)新思路。

Q：您的團隊近期發(fā)表了一項關于“零二氧化碳排放費托合成（FTS）”的研究工作。您能否簡要介紹一下這項研究？

A：我們近期發(fā)表于《科學》的工作，核心在于重新審視費托合成化學體系中的碳循環(huán)機制。在近一個世紀的工業(yè)化費托合成催化實踐中，鐵基催化體系憑借其較高的時空收率以及鐵元素的地殼豐度優(yōu)勢，一直主導著工業(yè)應用。目前，全球超過三分之二的費托合成產能（約1570 萬噸/年）依賴鐵基催化劑。然而，盡管鐵基催化體系在費托合成中展現出了較高的效率，其仍不可避免地產生大量CO2，通常會將合成氣中18–35%的CO 轉化為CO2。這些CO2主要來源于反應體系中的水氣變換反應（CO + H2O → CO2 + H2）以及Boudouard反應（CO 歧化反應：2CO → CO2 + C），這也是費托合成中碳流失的主要途徑。

我們的突破在于發(fā)現以百萬分之一量級（ppm）的鹵素作為共進料（如溴或氯）時，可以選擇性地抑制生成CO2的副反應，同時保持CO的活化及碳鏈生長過程不受影響。研究表明，吸附在催化劑表面的鹵素原子能夠調控鐵基催化劑的電子結構，削弱水分子的吸附并阻斷其活化過程，從而顯著抑制水氣變換反應，使CO2的生成幾乎完全消失。在近百年的鐵基費托合成研究歷史中，這是首次實現對CO2生成的有效抑制，從而使合成氣中的碳幾乎全部定向轉化為更有價值的烴類產物，真正實現了費托合成體系中的“零CO2排放”路徑。

Q：您近期論文中提出的這項技術，是否能夠兼容現有的工業(yè)設施？您能否就其大規(guī)模商業(yè)化潛力發(fā)表一些看法？

A：正如我們在論文中提到的，盡管鹵素共進料在放大過程中可能帶來一些挑戰(zhàn)，但類似策略在工業(yè)上已有長期應用，例如銀催化乙烯環(huán)氧化工藝中使用的氯共進料。從兼容性角度來看，我們提出的鹵素調控費托合成（FTS）概念與現有工業(yè)設施高度契合。它不需要新的反應器設計，可在現有的漿態(tài)床或固定床系統(tǒng)中實施，鹵素添加量僅為百萬分之一級別。催化劑仍為傳統(tǒng)的鐵基體系，供應鏈成熟，操作條件與標準費托合成相當，從而最大限度地減少工程改造需求。然而，實現商業(yè)化仍需克服三大關鍵障礙：

①長期穩(wěn)定性：實驗室規(guī)模已進行了數千小時的測試，結果令人鼓舞，但工業(yè)應用要求催化體系具備多年耐久性，同時需要系統(tǒng)評估潛在的腐蝕風險。

②經濟權衡：鹵素供應成本及尾氣處理費用需在碳定價體系下進行考量。

③系統(tǒng)集成：實現真正的碳中和，需要將該工藝與上游低碳模塊（如綠色氫氣、CO2捕集）結合。

目前，我們正在與合作伙伴推進中試測試，并認為在碳稅等政策的支持下，示范規(guī)模的工廠有望在5-10 年內投產。

Q：除了合成氣的轉化外，其制備本身也是一個高能耗過程，并伴隨大量碳排放。您能介紹一下貴團隊是如何應對這些挑戰(zhàn)的嗎？

A：低碳合成氣的制備可以說是實現可持續(xù)費托合成（FTS）的最大瓶頸。目前，工業(yè)合成氣主要通過煤氣化和天然氣重整獲得，這兩種途徑均能耗高且碳排放嚴重。要實現真正的脫碳，需要解決若干關鍵問題。

首先是氫氣來源：理想方案是利用電解制備的綠色氫氣，但其成本高昂且難以大規(guī)模供給。其次是碳源的可持續(xù)性：如何高效將CO2轉化為CO（例如通過逆水氣變換、固體氧化物電解或電化學還原）仍面臨效率和耐久性的挑戰(zhàn)。此外，系統(tǒng)集成也至關重要：合成氣的組成和操作條件必須精確匹配下游費托合成裝置，而原料多樣性（如生物質、廢氣、廢塑料或捕集的CO2）進一步增加了工程復雜性。

為應對這些挑戰(zhàn)，我們團隊正在探索多種新策略。例如，研究廢塑料的分級解聚或重整以及CO2還原，以減少對傳統(tǒng)化石資源的依賴；開發(fā)太陽能驅動的催化制氣工藝，實現綠色可持續(xù)性的合成氣制備；在煤氣化環(huán)節(jié)引入CO2捕集與循環(huán)利用，結合可再生氫氣，實現碳資源的最大化利用。

通過這些努力，我們希望逐步建立一條低碳、高效且可工業(yè)化推廣的合成氣制備路線，為真正綠色可持續(xù)的費托合成奠定基礎。

Q：鑒于合成氣制備與轉化之間，在反應條件、氣體組成及純度方面存在差異，高效整合這兩個環(huán)節(jié)仍是一個重大挑戰(zhàn)。從系統(tǒng)設計的角度，您能分享貴團隊的一些相關經驗和見解嗎？

A：我們認為，所謂的“合成氣制備–費托合成（FTS）不匹配”并非無法克服的障礙，而是系統(tǒng)架構設計的問題。在現有的煤制油（CTL）工藝中，大型氣化裝置已能夠穩(wěn)定地與漿態(tài)費托反應器耦合，借助中間單元（如水氣變換反應器、凈化與壓縮裝置）實現合成氣的可靠調節(jié)。這表明整合是可行的，盡管通常需要額外的能量消耗并增加碳排放。對于下一代低碳費托合成來說，挑戰(zhàn)不在于整合是否可能，而在于如何通過整體系統(tǒng)設計實現閉環(huán)的碳–能量循環(huán)。

從我們的視角來看，需要將催化劑開發(fā)與工藝整合相結合。在催化劑層面，我們重點設計開發(fā)能夠耐受更寬范圍H2/CO 波動及微量雜質的催化材料，從而減輕上游合成氣制備的負擔。在工藝層面，我們強調能量與碳流循環(huán)整合，例如回收費托尾氣以調節(jié)合成氣組成，或利用鏈增長反應的強放熱驅動吸熱步驟，如重整或逆水氣變換反應（CO2+ H2→ CO + H2O）。

同樣重要的是，我們認為數字化工具將重塑合成氣制備–FTS耦合的運行模式。數字化與實時監(jiān)控能夠提供動態(tài)系統(tǒng)行為的基礎數據；先進的過程控制技術，包括模型預測控制（MPC）和數字孿生，可增強系統(tǒng)在原料波動下的魯棒性。展望未來，人工智能的引入將進一步提升這些能力，使系統(tǒng)能夠通過機器學習與自適應優(yōu)化，不僅響應波動，還能主動優(yōu)化能量和碳流。如此，合成氣制備–FTS 耦合將從一個靜態(tài)、線性的流程，演變?yōu)橐粋€動態(tài)、自適應，甚至部分自主的系統(tǒng)。

總之，實現高效整合的關鍵不在于將合成氣制備和費托合成作為獨立單元進行優(yōu)化，而在于將二者作為耦合生態(tài)系統(tǒng)共同設計，使催化劑、工藝與智能控制協同演進，從而最大化碳和能量利用效率并提升工業(yè)競爭力。

Q：考慮到費托合成（FTS）已是一項成熟工藝，在將近期的研究成果轉化為工業(yè)應用的過程中面臨的主要障礙有哪些？

A：盡管學術界在費托合成（FTS）方面不斷取得突破，各類催化劑在實驗室規(guī)模下有著出色的催化活性和選擇性，但這些成果在工業(yè)應用中仍面臨諸多障礙，這些障礙主要源于基礎設施的限制與催化劑放大的復雜性。

現有的費托合成工廠是資本密集型產業(yè)，生產裝置設計用于數十年的連續(xù)運行。要改造以適應新型催化劑，通常需要對整個子系統(tǒng)進行再設計，包括換熱器、產物分離裝置以及溫度控制系統(tǒng)。此外，理想化的實驗室條件和工業(yè)生產條件之間存在顯著的差異：在純合成氣中表現優(yōu)異的催化劑，在商業(yè)規(guī)模、真實原料雜質條件下可能出現不可預測的行為，進而影響活性位點的化學性質及催化劑的失活途徑。

一個或許最關鍵且最常被忽視的挑戰(zhàn)，在于動態(tài)過程控制的整合。工業(yè)系統(tǒng)要求催化劑不僅能耐受原料組成波動與負荷跟隨操作，還需具備與實時優(yōu)化算法協同聯動的能力——而這恰恰是學術研究中極少驗證的性能。實驗室的靜態(tài)驗證與工業(yè)的動態(tài)需求之間的鴻溝，構成了部署下一代費托合成技術的核心瓶頸。

Q：您如何展望費托合成（FTS）領域的未來發(fā)展？在未來幾十年，您希望在這一領域看到哪些技術進步或創(chuàng)新？

A：展望未來，我認為費托合成（FTS）技術的發(fā)展有三個前沿方向。

①首先是精確產物控制，突破AFS分布的限制。下一代催化劑應能實現窄分布的目標產物，無論是汽油、航空煤油、α-烯烴還是含氧化合物，理想狀態(tài)下應通過調節(jié)催化體系中的部分參數即可選擇性地生成多種目標產物。

②其次是能源供給系統(tǒng)的創(chuàng)新。傳統(tǒng)反應器依賴燃燒加熱或蒸汽伴熱提供熱能，而新興方法如電加熱可實現快速、局部且高效的能量傳遞。這不僅提升了能量利用效率，還通過與可再生電力的精準整合，大幅降低碳足跡。此外，該類系統(tǒng)能夠在催化劑床層內產生自適應熱場和可控的溫度梯度，引導反應路徑向目標產物發(fā)展。

③最后，解析費托合成機理的百年之謎至關重要，這需要在真實反應條件下開展原位（operando and in-situ）研究。它意味著在高壓下進行穩(wěn)態(tài)–瞬態(tài)動力學分析和同位素標記實驗，并聯用多種表征技術，以捕捉催化劑在工況下的變化和關鍵表面中間體。只有縮小模型與實際體系之間的差距，才能實現基于意圖而非經驗的催化劑設計。

Q：鑒于您在C1 化學領域豐富的學術與工業(yè)經驗，您能否為剛進入這一領域的青年科研人員提供一些建議？

A：我會鼓勵年輕科研人員養(yǎng)成兩項基礎習慣。首先，在進行研究之前，務必掌握經典知識。許多深刻的科學洞見仍然隱藏在教科書和早期文獻中。理解這些歷史框架能夠幫助你區(qū)分真正的新現象與微小的改進。我常提醒學生：“看似前所未有的現象，很可能只是遵循了我們遺忘的經典機理。”其次，珍視動手實驗中的偶然發(fā)現。催化劑的發(fā)現不僅依賴于計劃性的篩選，更需要對異?，F象保持敏感。我們團隊發(fā)現微量鹵素可以阻斷費托合成中的CO2排放，正是因為鋼瓶中的CH3Br 雜質意外引發(fā)了催化劑的異常行為。如果沒有仔細記錄這次“失敗”的實驗，我們可能會將其誤認為污染而忽略。因此，要始終問自己：為什么會出現這個異常？許多具有變革性的發(fā)現往往源于實驗室中細致觀察到的意外，而非完美的假設。記住，催化創(chuàng)新需要對基本原理的深刻理解，同時也要有從意外中學習的開放心態(tài)。

原文鏈接: https://www.nature.com/articles/s44286-025-00314-7

來源：北京大學化學與分子工程學院