清華新聞網10月31日電 合成氣直接制備烯烴技術是近年來國際上新興的催化技術路線，旨在通過多功能催化劑將合成氣制甲醇及甲醇制烯烴等功能集成，以縮短流程、節約投資、降低物耗及能耗，對于我國現代煤化工的高質量發展意義重大。2022年以來，該技術被國家發改委、工信部多次發文倡導大力發展。通常，烯烴合成要求原料中H2/CO（氫碳比）>2，導致煤基合成氣在水煤氣變換工段的CO2排放量很大。另外，原料中的氫元素與氧元素很大程度上生成了水，相當于把最昂貴的原料成分（氫氣）變成了廢水。
近日，清華大學化工系騫偉中、崔超婕團隊面向過程高轉化率、高產品收率與低排放的協同需求，針對傳統催化劑易被水氧化（而失效）的缺點，報道了一種鈉改性的FeCx@Fe3O4核殼催化劑，在微觀界面上整合了水煤氣變換與合成氣制烯烴功能。借助前者將過程中產生的水原位轉化為氫氣，用于合成烯烴，從而將目的產品的氫原子經濟性提高至66%~86%，同時顯著抑制了水對催化劑的過度氧化副作用。其過程規律是，原料氫碳比（1~3之間）越低，氫原子經濟性越高。這些數值遠超傳統的水煤氣變換-甲醇合成-甲醇制烯烴路線的理論氫原子經濟性（50%）及實際數值（43%~47%）。團隊用同位素示蹤和阻斷水煤氣變換途徑的實驗證實了該耦合機制，且定量確定了催化劑上水煤氣變換反應的貢獻，為該類催化劑的理性設計提供了基礎，并在阻斷水煤氣變換途徑實驗中，證明了合成氣制備烯烴途徑生成CO2的概率很小。
研究團隊證明，較高的氫原子經濟性與催化劑兩種功能的活性匹配度密切相關。水煤氣變換反應在低溫下就能啟動，而制烯烴的活性則依賴于較高的反應溫度。在350℃、2MPa的反應條件下，采用氫碳比為1.5原料時，CO單程轉化率約為95%，烯烴選擇性超過75%（基于烴類產物），烴產率達33wt%（基于原料）。經過500小時連續反應測試，催化劑性能穩定。
在水煤氣變換（WGS）與合成氣制烯烴（STO）的耦合作用下，氫原子經濟性和烯烴收率都得到提升
由于在提升合成氣轉化的氫原子經濟性方面的突破，該催化劑使對應的水煤氣變換-合成氣制烯烴耦合路線，與傳統的水煤氣變換-甲醇合成-甲醇制烯烴路線相比，減少了總蒸汽消耗量、總廢水生成量與總CO2排放量，完全環境因子降低了46%。該團隊正在推進該技術的中試放大，以期為現有煤制烯烴的生產技術提供替代方案。同時，由于高效利用氫氣原料的能力，該技術也可能推進碳中和時代由可生電力驅動的綠氫（昂貴）、CO2電解制CO的新型原料的合成氣制備烯烴路線的相關研究。
研究成果以“高氫原子經濟性的合成氣制烯烴”(Conversion of syngas into olefins with high hydrogen atom economy)為題，于10月30日在線發表于《科學》（Science）。
清華大學化工系2022級博士生高昶、2022屆博士生畢業生宋文龍、2023屆博士畢業生王揮遒為論文共同第一作者。清華大學化工系教授騫偉中、助理研究員崔超婕為論文共同通訊作者。研究得到國家重點研發計劃項目、內蒙古科技支撐計劃項目、鄂爾多斯市科技“突圍”項目、內蒙古自治區先進制造業集群獎補項目等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.aea0774
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
