费托合成反应——这个诞生在百年前的革命性工艺，时至今日仍是现代能源化工的基石。这个能将煤炭、天然气、生物质转化为液体燃料或烯烃等宝贵化学品的工艺，却一直面临着“碳排放死结”困境，百年后最终解开这个死结的钥匙，竟是中国科学家手中的一滴“分子调味料”——百万分之一浓度的卤素化合物。近日，中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东研究员团队与中国科学院院士、北京大学马丁教授团队合作，在国际学术期刊《科学》上发表突破性成果，成功破解了“费托合成高碳排放”百年难题，为我国推动煤、天然气等碳资源从“高碳化工”迈向“零碳制造”提供了全新方案。

　　一滴“卤素”让化学界的“哥德巴赫猜想”迎刃而解

　　费托合成，这个听起来专业的化学反应，实则是现代能源化工的“隐形支柱”，堪称煤化工领域的“性价比之王”。对于富煤少油的国家而言，费托合成为能源安全保障和化工原料多元化提供了重要途径，在当前“双碳”目标背景下，其战略价值更加凸显。

　　“费托合成的核心矛盾就像化学界的‘哥德巴赫猜想’”。温晓东研究员从专业角度给出了解释：“铁基催化剂在转化合成气时，总会促发二氧化碳反应，导致30%的碳资源以二氧化碳形式白白流失，严重损害了原料碳的利用效率。在典型反应条件下，二氧化碳选择性通常达到18%至35%，即便采取尾气循环等工程优化手段，工业装置的二氧化碳副产比例仍普遍超过16%。这一现象自1925年发生以来，全球科学家尝试了无数催化剂改性方案，却始终无法突破碳排放和产物选择性的双重限制。”

　　这一问题不仅造成显著的碳资源浪费，更在“双碳”目标背景下成为制约铁基费托合成技术绿色升级的最大障碍。过去数十年间，我国科学家尝试了多种策略来降低二氧化碳生成，包括调控催化剂组成、优化反应器设计、改善操作条件等，但这些方法往往伴随着活性损失、工艺复杂化或成本增加等代价。如何在保持铁基催化剂固有优势的前提下，从根本上抑制二氧化碳生成，始终是该领域面临的核心科学问题和技术挑战。

　　“传统思路就像是试图改造锁芯匹配钥匙，而我们发现真正的需要是改变开锁方式。”温晓东领衔的科研团队提出了一个出人意料但效果显著的解决方案：在反应气中引入百万分之一浓度级别的卤代烷烃，这一策略的核心思想是利用痕量卤素物种与催化剂表面活性位点相互作用，精准抑制副反应发生而不干扰主反应的进行。“关键在于浓度的精确控制——卤素浓度过高会毒化催化剂导致整体活性大幅下降，浓度过低则无法产生有效调控作用，而百万分率级浓度恰好处于最佳的调控窗口。”温晓东说。

　　中国团队的突破藏在“微量”里。实验显示，溴甲烷等卤素分子在铁基催化剂表面形成动态吸附，如同精密的“电子开关”阻断水分子活化路径，精准关闭生成二氧化碳的副反应通道。

　　不换设备、不改工艺，用最微小的改变撬动最艰难的变革

　　从烹饪美食中获取关键灵感，“就像厨师试图用微量香料来改变整锅汤的风味，我们尝试在反应体系中加入百万分之浓度的卤素化合物来验证。”马丁教授这样说。“我们没有更换催化剂，也不是改造设备，而是通过分子级的调控，让原有的反应路径‘改道’。”为了验证实验的真实性，温晓东和马丁团队选择了一种最常见的铁碳化合物作为模型催化剂，正常的实验条件下，在进料气中加入20百万分率溴甲烷后，体系的产物分布发生了令人惊喜的变化。二氧化碳选择性从约30%骤降至1.5%以下，降幅超过95%，几乎实现了“零排放”的目标。与此同时，目标产物烯烃的选择性显著提高，烯烃与烷烃的比值从传统工艺的1.3左右提升至约13。更令人欣喜的是，这些选择性的大幅改善并未以牺牲反应活性为代价，达到了高性能催化剂的水平。

　　长期稳定性是评价任何催化新技术能否走向工业应用的关键指标。研究团队在超过450小时的连续反应中考察了催化剂的性能，结果显示催化剂始终稳定维持低二氧化碳、高烯烃的产物分布，未观察到明显的失活或性能衰减现象。

　　《科学》杂志审稿人认为：“这种将工业催化与分子美食学思维结合的创新，展现了东方科学家的独特智慧。”卤素分子的调控机制既保留了催化剂原有结构，又通过表面电子态微调，实现了对反应路径的精准控制。

　　为验证这一策略的普适性，研究团队还进行了系统的拓展实验，他们在工业实际使用的商品级铁基催化剂上进行了测试。这些催化剂含有助剂和载体，组成和结构都比实验室模型催化剂复杂很多，但卤素调控策略依然表现出色，充分展示了其工业应用的潜力。

　　从“碳浪费”到“碳全用”，这既是基础研究的重大突破又是“双碳”目标下的科技担当

　　马丁教授对这项工作的创新性给予了高度评价。他表示：“我们这项工作展现了通过痕量气氛调控，实现对复杂催化网络中反应路径的选择性屏蔽。这种策略并非重构新型材料，而是在现有催化剂表面引入轻巧但高效的动态调节因素。正是这种‘轻插拔式’的调控方式，使我们能够高效‘关掉’副反应通道，极大地提升了反应的碳原子利用效率。”

　　温晓东研究员则从应用角度强调了该工作的重要意义：“费托合成一直是中国煤化工和合成气化工的重要支柱，但二氧化碳副产问题是制约其绿色升级的最大挑战之一。我们的工作提供了一个简单有效的技术解决方案，有望在不改变催化剂主体、不依赖复杂分离工艺的前提下，实现绿色低碳的烯烃生产。”

　　这项技术的意义远不止于解决一个具体的技术难题。在“双碳”目标背景下，它为煤化工和合成气化工的绿色转型提供了切实可行的路径。将二氧化碳副产品大幅降低，意味着原料碳资源的利用率提升了15至30个百分点，这不仅显著减少了温室气体排放，也大幅提高了经济效益。同时，烯烃选择性提升至85%，特别是α-烯烃的高产率，使得产品的附加值大幅提高。α-烯烃是聚烯烃共聚单体、合成润滑油、表面活性剂等高端化学品的重要原料，其市场价值远高于普通的烷烃燃料。更进一步地讲，若将该技术与可再生能源制氢（绿氢）和生物质或二氧化碳制一氧化碳技术结合，甚至可以构建近零碳排放甚至负碳排放的烯烃生产路线，朝着绿色化工的愿景迈进一大步。

　　在全球能源陷入技术瓶颈时，我国科学家用一滴卤素的智慧，为世界提供了兼具颠覆性和实用性的解决方案，温晓东表示，未来，这种“痕量调控”策略或许可以推广到更多的催化反应中，开辟催化科学研究的新方向。