小艺
【科学背景】
费托合成（FTS）作为一种将合成气（CO和H₂）转化为燃料和烯烃的关键工业过程，长期以来依赖铁基催化剂，但其固有缺陷在于促进水煤气变换（WGS）和Boudouard反应，导致高达18–35%的CO₂选择性，严重降低了碳利用效率。现有策略如氧化物-沸石（OX-ZEO）串联系统虽能提高烯烃选择性，却伴随高CO₂排放（32–45%）和低时空产率，限制了其工业应用。因此，开发一种既能实现高烯烃产率又能近乎完全抑制CO₂排放的新型催化体系，成为当前可持续碳资源转化领域的迫切需求。
【创新成果】
中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东研究员、刘兴武博士联合北京大学马丁教授等研究者提出了一种简单而高效的策略，通过在合成气中引入痕量（ppm级）卤代甲烷（如CH₃Br），显著改变了铁基费托合成催化行为。实验表明，共进料20 ppm CH₃Br可使CO₂选择性降至<1%，同时将烯烃选择性提升至约85%，烯烃/烷烃比率从1.3大幅提高至7以上。表面结合的卤素物种通过调控催化剂活性位点，选择性抑制了CO₂生成途径（如WGS和Boudouard反应）以及烯烃加氢反应，而不影响链增长过程。该策略适用于多种铁基催化剂，包括商业化配方，展现出优异的可扩展性和碳效率，为高效、低碳烯烃生产提供了新途径。
相关研究成果以“Trace-level halogen blocks CO2 emission in Fischer-Tropsch synthesis for olefins production”为题，发表在Science上。
【数据概览】
图1 卤素共进料对铁基费托合成催化性能的系统性影响© 2025 AAAS
图2 χ-Fe₅C₂和χ-Fe₅C₂ -Br催化剂的结构分析© 2025 AAAS
图3 Br调节催化行为的分子机制© 2025 AAAS
图4 烯烃加氢抑制机制及CH3Br共进料χ-Fe5C2催化剂在FTS工艺中催化稳定性的理论研究© 2025 AAAS
【科学启迪】
研究证实，通过共进料ppm级CH₃Br可在铁基费托合成中实现近零CO₂排放和高选择性烯烃生产。表面溴物种通过电子与空间效应，选择性抑制了H₂O解离、CO*-O*复合及烯烃加氢等关键步骤，同时保持了CO和H₂的吸附与活化能力。在长达450小时的稳定性测试中，催化剂维持了>80%的C₂+烯烃选择性和<1.5%的CO₂选择性，展现出卓越的工业应用潜力。结合绿色氢气与CO₂免费气化技术，该策略为实现碳中性的煤/气制烯烃或液体燃料过程提供了可行路径，超越了现有低CO₂排放系统的性能极限。
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea1655
