【海川科技前沿】纯相碳化铁催化剂开启长链α-烯烃工业化的十年历程

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以纯相碳化铁催化剂开启长链α-烯烃工业化新纪元
现代煤化工 2024年10月18日 08:52 北京
10月16日，国家能源集团北京低碳清洁能源研究院（以下简称低碳院）与荷兰埃因霍芬理工大学等机构合作开发取得重大突破性进展，相关研究成果以《基于纯相χ-Fe5C2催化剂的高碳效率合成气直接制线性α-烯烃技术》为题，发表于《自然》（Nature）期刊。

该研究通过原创“纯相χ-碳化铁”催化剂，实现煤炭、天然气或生物质转化得到的合成气（氢气与一氧化碳的混合气）直接转化为高端化学品线性α-烯烃，可大幅提高碳效率、降低二氧化碳生成，填补了国际技术空白，为一步法制备高端线性α-烯烃提供了新途径。研究成果提出“纯相碳化铁催化剂体系”新理论，并将新技术命名为“FTLAO”技术。

这也是低碳院煤间接液化技术研究中心团队继CNFT系列铁基费托合成催化剂成功开发和工业应用之后取得的又一重大研究成果，团队的研究领域从煤制油扩展到煤制高端油品化学品。低碳院煤间接液化技术研究中心定向合成催化部以“十年磨一剑”的韧劲和“一辈子办成一件事”的执着，在催化关键核心技术领域实现重大技术突破，为“费托十年之路”书写了浓墨重彩的一笔。

长链α-烯烃（linear α-olefins, 简称LAO）作为是现代化学工业的核心原料和重要中间体，全球消费量逐年递增，具有广阔的市场，需求巨大。受制于传统的乙烯齐聚合成技术，我国的长链α-烯烃需要依赖大量进口，严重限制了我国高端化工产业发展。

面对国家战略的迫切需求，自2015年伊始，低碳院煤间接液化技术研究中心青年科学家、团队技术带头人王鹏博士挺身而出，开始对合成气转化直接制线性α-烯烃这一难题发起挑战。课题研发的第一道难关是技术路线的选择，钴基催化剂活性卓越，但价格不菲；铁基催化剂价格低廉，但普遍存在CO2选择性高、碳利用效率低、液体产品中C6+ α-烯烃组分少等问题，技术路线如何选择成为一大难题。

王鹏并没有急于下结论，而是首先对铁基催化剂催化活性产生的本质——活性相与活性位问题进行了深入思考，他在查阅大量文献的基础上结合多种先进原位表征技术，对铁基催化剂的活性相和活性位问题进行了实验，发现铁基催化剂CO2选择性高、碳利用效率低等问题的本质并非源自铁基催化剂自身的缺陷，而是催化剂还原碳化过程中生成了其他物相导致了副反应的发生。基于此点发现，王鹏提出了以纯相碳化铁为催化剂活性相的原创思路，这样既能够利用铁基催化剂价格低廉的优点，又巧妙避开了副反应的困扰。

理清思路后，王鹏还要面对的一大难题是课题研发初期人员严重不足，课题一度只能通过向其他研究中心借调人员以保证研究工作不断向前推进。面对困难，王鹏主动将科研任务一肩挑，一人身兼多职，从最初的实验构想到样品制备再到实验数据的分析与验证都亲力亲为。深夜的灯光下，常常是他忙碌而坚定的身影，这样的工作状态对他而言，早已成为了xi以为常的科研日常。

捷报频传  “十四五”国家重大专项落地

王鹏带领团队经过艰苦工作，发现以纯相碳化铁替代传统铁催化剂活性位时，催化剂展示出“近零CO2选择性”的特性以及95%以上的超高碳效率，打破了学术界对铁催化剂固有的低碳效率的认知。2018年该成果以《基于“纯相ε-碳化铁”的超低CO2选择性费托合成》为题发表在国际著名学术期刊《科学》子刊（Science Advances）上，课题的研究自此开始步入快车道。

2022年，由低碳院牵头，联合国家能源集团包头煤化工、宁夏煤业，北京大学，中国科学院过程所等10家研发单位，成功申请了“十四五”国家重点研发计划“低CO2选择性合成气直接转化制长链α-烯烃成套技术”。该研发项目以低碳院原创“纯相碳化铁催化剂体系”为核心，采用高效浆态床反应器，与长链α-烯烃的高效分离与产物综合利用技术相结合，形成合成气直接制长链α-烯烃成套技术。

“十四五”重大专项计划的成功申报，标志着王鹏带领团队研发的“纯相碳化铁催化剂体系”开始走出实验室，进入实际应用和工业化开发阶段。项目完成后，将填补国内煤化工高附加值特种化学品技术的缺口，助力我国煤化工产业向高端化、多元化、低碳化发展，同时也将为推动下游高端聚烯烃产业的发展夯实基础。

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国际合作  共筑低碳科技新高度

在“纯相碳化铁催化体系”研究过程中，王鹏与团队非常注重国际化合作，积极推动构建低碳技术研究全球创新网络。团队与荷兰埃因霍芬理工大学（TU/e）联合建立了“NICE-TU/e 碳一催化合作实验室”，定期开展学术交流与合作研究。双方合作在《ACS催化期刊 》（ACS Catalysis）、《催化学报》（Journal of Catalysis）等多个国际著名学术期刊发表了具有国际影响力的论文，并受邀在美国化学会年会、世界天然气转化大会、荷兰国家催化会议等影响力较大的国际会议上进行报告交流，极大提升了国际学术影响力。

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十年一剑  “FTLAO”技术领先世界

自2015年至2024年，近十载光阴如白驹过隙，王鹏和团队成员心怀“国之大者”，坚定服务国家重大战略，牢牢扛起科技创新的重任，勇于开拓、不懈奋斗，在名利之外默默耕耘，从零的起点铸就辉煌，成功研发首创了革命性的“FTLAO”技术。这一技术不仅彻底突破了我国在合成气直接转化制备线性α-烯烃技术上的瓶颈，更引领着我国在该领域技术水平位列全球领先地位。

截至2024年10月，基于“纯相碳化铁催化剂体系”，团队共申请发明专利101件，其中国际专利34项，出版英文专著2部，发表SCI收录文章30余篇，取得了累累硕果，鼓舞人心。

展望未来，王鹏及其团队将始终怀揣低碳初心，牢记创新使命，大力弘扬新时代科学家精神，持续深耕合成气转化直接制线性α-烯烃技术的工业化应用之路。他们将以更加坚定的步伐，早日将这一科技成果转化为现实生产力，为我国能源化工产业转型升级贡献重要力量！

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来源：国家能源集团

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