科技创新年 | 1/1000000的不同，北大教授再发Science！

十大品牌 2025年11月06日 13:26 1 aa

来源：【北京大学】

1/1000000的不同，能带来什么？

在能源化工的费托合成中

正是这关键催化剂的一点点变化

打开了全新的生产思路和发展模式

近日，由北京大学化学与分子工程学院马丁教授团队与中国科学院山西煤炭化学研究所主导的科研团队，通过向铁基费托合成（Fischer–Tropsch synthesis, FTS）反应气体中添加百万分之一（1/1000000）浓度的卤素化合物，成功将二氧化碳副产物从传统工艺的30%左右降至1%以下，实现“近零碳排放”，同时将高附加值烯烃产率提升至85%以上，为绿色合成气转化和低碳化工制造提供了新策略。这一突破性成果于2025年10月30日发表于《科学》（Science）期刊。

这项技术破解了费托合成高碳排放难题，为我国在“双碳”目标下推动煤、天然气、生物质等碳资源的绿色转化提供了新路径。

这是继今年年初，马丁教授团队在Science发表成果实现“乙醇-水重整制氢技术”零CO2排放后又一个围绕碳排放问题的新突破。

马丁团队研究成果发布在Science期刊网站

马丁教授

无法避免的“副反应”？

铁基催化剂的百年工艺难题

“费托合成一直是中国煤化工和合成气化工的重要支柱，但CO2副产问题是制约其绿色升级的最大挑战之一。”马丁教授这样说。

化石能源是人类工业发展的重要动力，然而，从矿场到工厂，这些化合物还要经历很多的处理环节。费托合成可将合成气（一氧化碳与氢气）转化为液体燃料或烯烃等高值化学品，在煤炭、天然气和生物质等碳资源制备油品和高值化学品过程中发挥了关键作用。由于具有低成本、高油品时空产率等优势，以往的费托合成工业过程中，绝大多数都采用铁基催化剂。

然而，铁基催化剂在反应过程中容易触发水气变换（WGS）副反应，导致一氧化碳与水反应生成大量二氧化碳，传统工艺中二氧化碳选择性常高达30%左右。在工业过程中，即使采取循环气工程手段，二氧化碳选择性仍普遍超过16%，不仅造成碳排放问题，更严重浪费了宝贵的碳资源。

从催化剂，到“动态调控者”

“一滴卤素”的神奇净化效果

面对费托合成副反应这一固有难题，中国科学家提出了一种全新的思路：在反应气体中，加入百万分之一（1/1000000）浓度的卤素化合物（如溴甲烷、碘甲烷等）。

“就像在烹饪中加入一滴‘分子级调味料’。”

马丁教授形象地比喻，微小的添加量，可以带来巨大的反应差异：研究发现，这些卤素分子在反应中以“动态调控者”身份存在，在铁基催化剂表面不断吸附、解离、再结合，像“电子开关”一样调节催化剂的表面状态，阻断催化剂表面的水分子活化，从而阻断一氧化碳和水生成二氧化碳。同时，该策略还能防止烃类过度氢化，使更多碳原子用于生成烯烃。

溴调节催化行为的机制（Mechanism of Br in regulating catalytic behavior）

实验结果显示，在“痕量卤素调控”策略下，二氧化碳选择性从传统的30%左右降低至不足1%，几乎实现“零排放”；同时，目标产物（烯烃）的选择性显著提高至85%左右，烯烃/烷烃比值更是达到约13。

中国科学院山西煤化所温晓东研究员指出：

“这项技术实现了对复杂催化网络中反应路径的选择性屏蔽，以‘轻插拔式’的调控方式高效‘关掉’副反应通道，极大提升了碳原子利用效率。”

这意味着在相同原料投入下，几乎所有碳原子都被转化为有用产物，不再白白流失为二氧化碳。这一“低碳+高效”双重提升，为实现高碳资源利用率、高选择性产品输出的清洁化工路线，提供了技术突破口。

“低碳化工”的中国方案

从合成气产业转型，到全球能源结构优化

此项成果迅速获得了国际学术界的高度关注与积极评价。Science同期发表题为“Two diverging paths for clean fuel”的展望(Perspective)进行报道。

同时，Science在其新闻栏目(News)以“Chemical additive slashes carbon emissions when creating synthetic fuels: Advance in Fischer-Tropsch process could make coal-to-liquid plants cleaner”（化学添加剂在生产合成燃料时减少碳排放：费托合成工艺的进步可使煤制油更清洁）为题对该研究进行了专题报道。美国化学会Chemical & Engineering News也对该工作进行了报道，并认为“这是一个令人吃惊的重要发现” (It is a surprising, important finding)，“这是一个突破性工作！”(This is a breakthrough work!)

“我们的工作提供了一个简单有效的技术解决方案，实现绿色低碳的烯烃或者是油品生产。如果结合绿氢的使用和低二氧化碳排放的煤气化过程，这项技术可以为关系我国能源安全的煤化工过程的脱碳提供新的机遇”，马丁教授解释道。

据介绍，目前研究团队正与相关企业合作开展中试放大、长期稳定性评估，力争将这一绿色低碳策略快速推向工业化。马丁教授表示：

“未来，随着技术逐步推广，有望显著提升我国合成气利用、煤化工等产业的绿色转型水平，为全球能源结构优化贡献中国方案。”

此项研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个项目支持。

这份由中国科学家送出的“原创答案”，不仅让百年费托合成工艺焕发低碳新生，更展现了我国在能源转型领域的科技担当。

来源 | 北京大学融媒体中心、北京大学化学与分子工程学院、北京大学科学研究部

文字&编辑 | 吴卓颖、马诗尧

排版 | 顾馨月

责编 |陈蕾

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