百万分之一的改变 换来“减碳密码”

　　从30%降至不足1%，微量的改变却能引发一场化工业的绿色革命。

　　费托合成（Fischer–Tropsch synthesis,FTS），是我国“富煤、贫油、少气”资源禀赋下生产烷烃、烯烃等燃料和工业原料的关键技术。其中烯烃是塑料、橡胶和纤维等基础材料的重要原料，在现代化工生产中占据核心地位。

　　据了解，目前工业上高度依赖铁基催化剂的费托合成，其最大缺陷是在典型条件下，合成气中的碳源，一氧化碳有高达18%至35%被转化成二氧化碳废气。每生产1公斤烯烃，就要在费托合成环节排放0.5公斤左右的二氧化碳，这既造成了巨量碳排放，也是对碳资源的巨大浪费。

　　如今，这一阻碍“双碳”目标的痛点，已经由北京大学化学与分子工程学院马丁教授与中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东研究员主导的联合团队突破，并正在走向工业化落地。

　　联合团队通过向铁基费托合成反应气体中添加百万分之一浓度的卤素化合物，成功将二氧化碳副产物从传统工艺的30%左右降至1%以下，实现“近零碳排放”，同时将高附加值烯烃产率提升至85%以上，为绿色合成气转化和低碳化工制造提供了新策略。

　　“这就像在烹饪中加入一滴‘分子级调味料’。”温晓东说，这项成果的核心是对费托合成复杂反应网络的“精准调控”。

　　团队青年学者刘兴武进一步介绍，工业铁催化剂表面同时存在生成烃类的主反应路径和生成二氧化碳的副反应路径，团队发现了一种高效简单的选择性抑制方法：在原料合成气中加入百万分之一（ppm级）的卤代甲烷（如溴甲烷），即可近乎完全抑制副反应路径。

　　为了获得这一解决费托体系长期存在的高二氧化碳副反应问题的关键突破，自2009年建组以来，马丁领导的团队就开始深入研究费托合成反应的催化剂及其构效关系。2024年，马丁团队与温晓东团队紧密合作，形成了从催化剂合成、反应评价到反应机理研究、催化剂表征、理论计算的完整研究体系。

　　尽管拥有扎实基础，团队在研究推进过程中仍遇到多重挑战。马丁回忆，以往一些结构调控策略，如使用疏水二氧化硅包覆等，仍然会生成10%－13%的二氧化碳，且常伴随活性下降，难以从根本上解决问题。因此，他们将注意力转向在其他催化体系中常被视为“毒物”的卤素。

　　温晓东告诉中青报·中青网记者，团队中的青年学者和博士生为研究工作作出了突出贡献。

　　在传统认知中，卤素往往被视为会毒化铁基催化剂的“抑制剂”，通常会导致活性显著下降。然而在一次常规实验中，刘兴武意外观察到微量卤素并未造成失活，反而表现出与传统理解不一致的正向作用。基于在铁基费托体系上长期的研究积累和对反应特征的敏感判断，刘兴武第一时间意识到这一“反常现象”可能具有重要科学意义，并组织进一步的验证工作。

　　在刘兴武的指导下，博士生蔡毅围绕关键条件开展了系统实验，对比不同铁基活性相的响应，最终确认微量卤素能够选择性抑制二氧化碳副反应而保持费托主反应的活性。随后团队进一步明确：只有在ppm级的微量范围内，卤素的这一独特调控效应才会稳定显现。

　　在确认这一现象后，团队仍需回答一个更本质的问题：卤素究竟是如何改变催化剂表面反应路径的？

　　“如果不能回答这一问题，就无法完全建立其科学性。”马丁说。

　　为此，马丁的博士生王茂林利用瞬态动力学等先进实验手段，揭示了卤素抑制多个副反应基元步骤的机理，从根源上切断了二氧化碳的形成路径，成为理解调控机制的关键证据。

　　最终，这一突破性成果的论文于2025年10月30日发表于《科学》（Science）期刊。

　　值得注意的是，这已是马丁团队一年内第二项发表于《科学》的相关成果。今年2月，团队发布了零碳排放的工业制氢新方案；此次“近零碳排放”费托合成则攻克了传统化工过程的排放难题。

　　“光有‘绿氢’还不够，如果费托合成中三分之一的碳仍以二氧化碳形式排出，那是对‘绿氢’的巨大浪费。”马丁表示，这项研究补上了关键一环。

　　在马丁看来，此类原创成果反映了我国科研体系对解决关键问题的重视，也推动科研范式从“追赶”向“引领”转变。

　　展望未来，这项近零碳排放费托合成技术的工业化前景同样值得关注。马丁介绍，这一策略具有良好的普适性，对现有商业催化剂同样有效，无需更换催化剂或反应器，只需在原料气中加入ppm级卤代物即可。此外，催化剂在不同条件下可连续稳定运行450小时以上，且操作简便，在乙烯环氧化等成熟工业体系中也已有类似微量调控策略的成功先例。

　　曾经，依赖传统工艺的费托合成让人们的生活建立在高碳排放的物质基础上；如今，由我国科学家提出的“原创答案”让煤化工生产烯烃的产业焕发“低碳新生”，这一成果为提升碳效率提供了关键的底层技术。