王亮、肖豐收合作團隊合成氣催化效率翻倍

　　近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院鄭安民研究團隊與浙江大學王亮、肖豐收研究團隊合作，報道了一種控制催化劑表面微觀環境中水物種的吸-脫附平衡的策略，實現合成氣制備低碳烯烴過程中催化劑效率翻倍，同時，進一步優化了低碳烯烴的選擇性，展現出良好的工業應用前景。  

　　費托合成（Fischer-Tropsch process）又稱F-T合成，是指以合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體）為原料合成碳氫化合物的過程，因1923年發明這一方法的兩位德國化學家的名字而得名。費托合成開辟了從煤炭中獲得重要工業原料的路線，實現了從煤炭中獲得燃料和精細化學品，在緩解石油依賴方面發揮了重要作用。由于我國富煤和貧油的能源結構特點，費托合成顯得愈發重要。

　　科學家和工程師對費托合成的工藝過程已進行多次創新與改進，而實現低成本、高效率的一氧化碳加氫反應存在挑戰。鈷基費托反應過程中產生的水分子吸附在催化劑表面，會遮蔽掉催化劑表面的一部分活性中心，限制催化效能。因此，催化劑表面的水分子快速脫附顯得尤為重要。經過反復推敲，科研團隊找到了新穎的突破口，通過在催化體系中物理混合超疏水材料（聚二乙烯基苯）來調控催化劑表面水分子的動態平衡，實現對催化劑的性能調控。聚二乙烯基苯就像“轉運助手”，在鈷錳碳化物（催化劑）顆粒之間開辟許多導水通道，為催化劑表面釋放出更多的活性位點，較普通催化劑大幅提升了水的擴散速率。經過優化，在250 °C和0.1 MPa的溫和反應條件下一氧化碳的轉化率提升到無疏水助劑體系的兩倍左右，達到63.5%。同時，烴類產物中低碳烯烴的選擇性達到71.4%。

　　在實驗結果的基礎上，鄭安民團隊采用高精度的理論模擬，從微觀層面進一步探究通道潤濕性對水擴散的影響。分子動力學模擬發現，親水通道與水分子相互作用并減慢它們的擴散，而疏水通道與水分子之間的弱相互作用加速了水的逸出。非平衡動力學模擬結果表明，疏水通道更利于附著在催化劑表面的水分子快速逸出，從而改變催化劑表面的微觀環境，促進水分子的脫附和抑制其再吸附，有效地讓催化劑活性中心釋放出來，推動反應正向進行，為催化劑持續高效工作提供有利條件。

　　不同于傳統費托催化劑的研究，該工作聚焦于反應產物在催化劑表面的吸-脫附微平衡調控上。研究通過催化劑和疏水助劑物理混合，在催化劑表面構筑特定的微觀環境，對現有催化劑“無損”情況下進行反應性能調控，優于通常采用的化學修飾方法。這種新型催化體系不需要改造現有工業反應路線，可高效率地應用于生產實踐。

　　相關研究成果以《催化劑和疏水性聚合物的物理混合促進水分子逸出來提升CO加氫反應性能》（Physical mixing of a catalyst and a hydrophobic polymer promotes CO hydrogenation through dehydration）為題，發表在《科學》（Science）上。