生活中常见的塑料和化纤等制品，都来源于小分子的烯烃(低碳烯烃)，这些小分子烯烃一般是从石油中制得的。但是，我国的资源禀赋特点是富煤贫油，如果能用煤炭来制备低碳烯烃，不仅可以改善对石油的依赖，还可以提升煤炭的附加值，是一举两得的好事!
那么，我国目前在煤炭转化领域有什么突破性的进展，对“双碳”目标的实现又有什么贡献呢?今天就由中国科学院大连化学物理研究所潘秀莲研究员带我们共同解读。
专家介绍
潘秀莲
研究员，国家杰出青年科学基金获得者。主要致力于能源转化过程中的催化作用基础研究，以第二完成人参与完成的“纳米限域催化”项目，获得2020年度国家自然科学奖一等奖，实现了合成气直接制低碳烯烃等高值化学品的新过程。
上海油压工作室生活中的各种塑料制品都来自石油化工业
图片来源：Veer
问 ：您认为实现“双碳”目标有哪些比较重要的途径？
答 ：一个途径就是使用可再生能源，包括光能、风能等。另一个途径就是节能减排，用更先进的技术取代不够清洁高效的技术，就可以减少能源损耗，降低二氧化碳的排放。
例如，我们现在认为煤炭是不清洁的能源，实际上我们如果能有更先进的技术，也可以在使用煤炭时尽量降低二氧化碳排放。
图片来源：Veer
问 ：对于煤炭来说，除了直接燃烧之外，还有什么利用方式呢？
答上海油压工作室 ：我们国家能源禀赋特点是贫油少气，相对来说是富煤的。现在石油的对外依存度超过了70%，这些石油除了用于交通运输的燃料之外，还有很多是用来制造化学品的。那么，有没有可能利用相对富裕的煤去制造这些化学品，就是我们要研究的一个重要方面。
煤不仅可以用作燃料，还可以把它转化成附加值比较高的化学品 ，例如我们比较关心的低碳烯烃这类物质。低碳烯烃包括乙烯、丙烯等，用处非常广，我们日常生活中使用的各种塑料都与它们相关，例如聚乙烯，聚丙烯等。当然，把煤变成我们交通工具中用的燃料油，也是可以的。
问 ：请您结合课题组的工作内容给大家介绍一下煤制低碳烯烃。
答 ：1925年的时候，两位德国科学家发明了费托合成技术，成为煤制油的关键技术。费托合成技术就是把煤变为合成气(一氧化碳和氢气的混合气)，然后再转化为合成燃料，例如汽油、柴油等。这些油品的本质是碳氢化合物，而低碳烯烃也是碳氢化合物，所以人们就想将这一技术作为蓝本，进行一些改进和修饰，来合成碳链相对短一点的烯烃。
费托合成技术合成的燃料(左)和传统燃料(右)对比
上海油压工作室图片来源：wikipedia
问 ：把煤直接制成低碳烯烃主要有哪些难点？
答 ：主要是产物的选择性上海油压工作室 。传统的费托合成技术使用铁、钴等金属做催化剂，具有开放的表面。一氧化碳在这个表面上活化之后生成一系列中间体，由于表面的开放性，这些中间体可以随机连接起来，生成长短不一的碳链，理论上，这些碳链的长度是无法控制的。理论计算表明，我们所需要的二碳到四碳烯烃的产量只有60%以下，选择效率比较低。
还有一个问题在于，一氧化碳是由一个碳原子和一个氧原子组成的，但低碳烯烃并不含氧，因此需要把氧拿走。传统方法是用氢把氧拿走，而氢来自于水，因此这个过程需要消耗大量的水，还要多进行一步水煤气变换，增加了能耗。
问 ：目前我们在这两个难点上有什么突破性的进展？
答 ：我们新发明的技术在这两个方面都有所突破。
首先，我们使用的催化剂与传统催化剂不同，具有双功能 。它可以先把一氧化碳和氢活化，结合成中间体，再配合它的分子筛功能，把中间体限制在分子筛的孔道里面，通过孔道的限域作用，有效控制产物的碳链长度。2016年的时候，我们的选择效率就做到了80%，现在可以做到高于90%，这是一个很大的突破。
另外，我们不再用氢拿走一氧化碳里面的氧，而是通过另一个一氧化碳来实现 ，这样就少了水煤气变换，可以减少流程并降低能耗，碳排放就会相对减少。同时，反应过程中不再需要添加水、排放废水。
2016年我们取得了基础研究的成果，发表了论文;2019年跟合作企业在陕西开展了工业性实验，规模年产量达到千吨级，这一试验在2020年完成。目前，我们跟企业还在做进一步的沟通合作，进行催化剂的更新迭代和工艺流程的优化。在催化剂更新迭代方面，我们希望能够进一步提升选择效率的同时，降低水耗和能耗。在流程优化方面，我们希望在流程上更加高效的同时，做到更加低碳、更加清洁。
陕西榆林，千吨级煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置
图片来源：中科院大连化物所
问 ：这项技术的使用与实现“双碳”目标会产生怎样的联系呢？
答上海油压工作室 ：这项技术会对“双碳”目标的实现有贡献。第一，工艺流程缩短意味着能耗会降低，也就意味着二氧化碳排放量可以降低。第二，我们减少了水耗和废水排放，这也是很重要的贡献。
问 ：是什么原因能够让我们的科技创新取得突破呢？
答 ：国际上有非常多的科学家在研究这一领域，但一直没有突破。我认为的原因是理论受限。如果用传统催化剂，它的反应机理是固定的，按照这个机理，就一定会存在理论极限，很难突破。这也是我们开始的时候走了很多弯路，一直没有突破的原因。
所以，我们后来选择采用完全不一样的原创概念催化体系 ，包括双功能分离的概念和纳米限域催化理论。正是在全新理论的指导下，才能做出催化剂的创新。
