你相信煤能變成“水”嗎？近日，中國科學(xué)家在這一領(lǐng)域取得了新的突破。不過，這里說的“水”不是真正意義上的水，而是一類液體物質(zhì)——烯烴。對(duì)于烯烴，除了在高中化學(xué)課本上見到過，很多人可能都比較陌生。其實(shí)，我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷母鞣N塑料制品，比如鞋子、衣物、手機(jī)、飲料瓶，都是以烯烴為原料制成的。
烯烴是一類重要的化工原料，前面提到的生活中常見的塑料制品的制造都需要烯烴。目前，在化工領(lǐng)域，廣泛采用的烯烴制取方法是通過石油制取烯烴。而中國是個(gè)石油儲(chǔ)量相對(duì)較少的國家，如果想滿足生產(chǎn)的需要，需要進(jìn)口更多的石油，影響到中國的能源安全。
因此，一些科學(xué)家想到了通過煤炭制取烯烴的新方向。相比于石油，中國的煤炭資源比較豐富，目前煤炭主要用作能源物質(zhì)。
隨著近年低碳環(huán)保理念深入人心、國家計(jì)劃實(shí)現(xiàn)“雙碳”雙碳戰(zhàn)略，綠色環(huán)保地利用煤炭資源成了科學(xué)研究的新方向。從環(huán)保的角度來說，通過煤炭制取烯烴，正是煤炭綠色利用的新方式。
煤炭變“水”早有辦法
把煤炭、石油、天然氣等中含有的碳?xì)浠衔锱c氧化劑反應(yīng)，可以生成一氧化碳和和氫氣的混合物，被稱為合成氣。合成氣再經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)，就會(huì)轉(zhuǎn)化為烯烴等重要化工原料。而在現(xiàn)實(shí)的化工生產(chǎn)中，通過煤炭制取烯烴的關(guān)鍵是催化劑。
2016年，中國科學(xué)院大連化物所的研究團(tuán)隊(duì)改變了傳統(tǒng)催化劑中的活性組分，由金屬或金屬碳化物變?yōu)榻饘傺趸锖头肿雍Y的復(fù)合催化劑——OXZEO。結(jié)果，在制取烯烴的過程中，烯烴的選擇率（代表了反應(yīng)產(chǎn)物的單一性）達(dá)到了80%。
不過，OXZEO催化劑也不是完美無缺——在OXZEO催化的反應(yīng)中，反應(yīng)物一氧化碳的轉(zhuǎn)化率只有17%。這意味著，一氧化碳的反應(yīng)活性不高，想要制取足夠的烯烴，需要大量一氧化氮，會(huì)提升成本。
新一代OXZEO催化劑：打破反應(yīng)“蹺蹺板”
為此，中科院大連物化所的科學(xué)家又開展了進(jìn)一步的研究。他們發(fā)現(xiàn)，初代OXZEO催化劑提升了烯烴的選擇率，卻沒有提升一氧化碳的轉(zhuǎn)化率是因?yàn)�，催化劑不僅催化了生成烯烴的主反應(yīng)，還催化了兩個(gè)副反應(yīng)。這樣一旦一氧化碳的轉(zhuǎn)化率提高了，就會(huì)有更多的其他產(chǎn)物通過副反應(yīng)生成，進(jìn)而降低烯烴的選擇率。因此，在保證烯烴的選擇率的前提下，只能選擇降低一氧化碳的轉(zhuǎn)化率。
針對(duì)初代OXZEO催化劑的這一問題，研究團(tuán)隊(duì)在原有分子篩的基礎(chǔ)上，制備了基于金屬鍺離子的微孔分子篩，減少了副反應(yīng)的發(fā)生，在保證烯烴的選擇性大于80%（最高達(dá)到了83%）的同時(shí)，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率也達(dá)到了驚人的 85%，提升了反應(yīng)效率。
這項(xiàng)研究發(fā)表在2023年5月19日的《科學(xué)》（Science）雜志上，這一突破性進(jìn)展徹底顛覆了百余年來煤化工業(yè)固有的生產(chǎn)方式，成功解決了傳統(tǒng)催化反應(yīng)中難以同時(shí)提高活性與選擇性的“蹺蹺板”難題，而且大幅度降低了水和能量的消耗。