作者:丁佳 来源:中国科学报 发布时间:2016/3/8 8:41:34
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中国科学家成果颠覆煤化工“圣经”

 

一条从“煤”走过的路

中科院成果颠覆煤化工“圣经”

■本报记者 丁佳

3月4日,美国《科学》杂志发表了中科院院士、中科院大连化物所研究员包信和与研究员潘秀莲领导的团队取得的一项成果。他们创造性地采用一种新型复合催化剂,可直接将煤气化产生的合成气转化,高选择性地一步反应获得低碳烯烃。

对于身陷能源困局的中国来说,这项成果就像一颗火种,照亮了一条充满希望的道路。

总理之问

人类生产生活所必需的大量化工原料和产品,都直接或间接来自石油、煤等化石能源。因此,各国在大力发展新能源的同时,也一直在石油和煤化工领域不断创新。

而对煤多油少的中国来说,通过煤化工获得各种化工产品,更是一条不可或缺的道路。

1923年,德国科学家费舍尔和托普希发明了煤经合成气生产高碳化学品和液体燃料的费—托过程。在国际能源和化工界,费—托过程几乎是一部不可替代的“圣经”。

但这部“圣经”并不完美。除了产生大量的二氧化碳,反应过程还要消耗大量的水,且产物选择性差,后续处理要消耗大量的能量。

2015年4月22日,国务院总理李克强在厦门大学考察期间,曾就煤化工研究提出过这样一个问题,即“能不能不用水或者少用水进行煤化工”。

“中国的发展依赖于技术的突破。”包信和很清楚,总理的问题也正是中国煤化工产业的痛处所在。面临着严峻的资源环境压力,中国必须要有自己的技术储备,走出一条自己的路。

你任性?我用“笼子”关住你!

传统的费—托过程采用金属做催化剂,煤气化产生的一氧化碳在催化剂表面活化产生中间体后,只能任其在表面上自由聚合生长,既“漫无目的”,也“无拘无束”,因此目标产物的选择性较低。

“一开始我们也只是想在费—托催化剂的基础上,通过各种途径作些改进,包括金属、载体和助剂等。”潘秀莲告诉《中国科学报》记者,“后来,我们突发奇想:能不能走一条非常规的路线,直接转化合成气,高选择性地获得低碳烯烃?”

这一摸索就是9年多。最终,研究团队发明了一种复合“金属氧化物+分子筛”的方法,不让“任性”的中间体在催化剂表面进行反应,而是迅速进入分子筛,在孔道限域环境中进行反应,定向生成低碳烯烃,大大提高了产物的选择性。

“这就好比把‘自由基’关进一个‘笼子’,通过限制其行为,使其最终变成我们想要的目标产物。”包信和说,将来还有可能通过调控分子筛的孔道和酸性质,实现产物分子的可控调变。

更重要的是,新发明的过程除了节水和在工艺上降低二氧化碳排放,还具有很高的经济效益,成功地回答了“总理之问”。

中科院院士何鸣元对这一成果给予了高度评价:“他们不但提出了全新的概念,而且依靠一系列科学前沿的突破,最终改变了人们对煤化工过程的观念。”

中科合成油技术有限公司总裁李永旺也盛赞称:“在历史上,由中国人发明的大反应并不多。这项成果从科学角度来说是一个颠覆性的创新,其重要性不亚于费—托过程。”

烯烃3.0时代将至

论文刊发后,《科学》杂志同期刊发了一篇专家评述文章,认为该过程未来在工业上将具有巨大的竞争力。

包信和团队的成果迅速引起产业界的巨大兴趣。

“乙烯是石油化工之母,但目前我国乙烯、丙烯的满足度仅有60%,缺口很大。”中国石油化工集团公司副总工程师王子宗说,“中科院这项成果实现了煤气化直接制烯烃,从产业角度来说,这项技术是非常有前景的。”

目前,中科院大连化物所已与国内重要化工企业和国外著名化学公司达成初步协议,着手在催化剂制备和工艺过程开发等方面共同合作,力争尽快实现工业示范和产业化,努力将这一原创性成果转变为真正的生产力。

值得一提的是,在从事这项研究的9年多里,团队除了申报多件中国发明专利和国际PCT专利,并未公开发表过一篇相关研究的文章,几乎可以说是9年“零产出”。

但这样的“默默无闻”却得到了中科院大连化物所所长、中科院院士张涛的无条件支持。在他看来,研究所不应为一时一事去评判科学家,而是要鼓励他们静下心来,去研究重大科学问题,挑战世界难题。

“这项成果的想法很巧妙,但过程并不复杂。我对产业化前景很有信心。”张涛说,“如果把石油制烯烃、甲醇制烯烃叫作烯烃1.0、2.0时代,那么这项成果很可能把我们带向烯烃3.0时代,帮助中国走出一条自己的清洁煤化工道路。”

《中国科学报》 (2016-03-08 第1版 要闻)
 

 

 
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