Nature報道中科院上海高研院新突破，稜柱形Co2C納米晶助合成氣直接制烯烴

知識 10-09

低碳烯烴（乙烯、丙烯、丁烯）是最基本的化工原料，也是目前世界上最大宗的化學品。目前來說，「化工三烯」的一個重要來源是通過催化裂化的方式得到。考慮到我國有限的石油儲量，以及國際油價的不穩定，結合我國豐富的煤炭資源，從煤炭資源出發來生產大宗化學品一直是我國能源和化工領域的發展戰略。但是，傳統的煤炭制的合成氣，再從合成氣經過費托合成（Fischer-Tropsch process）到烯烴、汽油等其他化學品的過程存在消耗水資源、效率低等多種問題，並不經濟環保。因此，發展更加清潔、高效的催化工藝對我國煤炭資源的綜合利用具有非常重要的意義。今年上半年，大連化物所包信和院士團隊發展的氧化物-分子篩複合催化劑實現合成氣到低碳烯烴的高效轉化就是這個方向的重要進展（Science,2016,351, 1065-1068，點擊查看詳細）。

對於傳統的費托反應來說，一般是利用Co或者Fe作為催化劑的主體，然後添加一些其他組分，如鹼金屬、過渡金屬（Mn、Ru等）來提高選擇性。但是，一般來說，根據理想的一個碳鏈增長的模型，費托合成的產物會遵循Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布規律。根據這個理論，CO + H2的反應中，C2-C4的碳氫化合物的比例不超過56.7%，同時還伴隨著29.2%的甲烷選擇性。但這僅僅是從理論上進行的推測，實際催化過程中，產物的分布和這個理論還是有偏差。值得注意的是，ASF理論還是和很多實驗結果吻合的；通過對ASF理論的一些修正，也能解釋實驗中觀察到的很多想像。但是，如果要實現煤炭資源的高效利用，就需要突破ASF理論中產物分布的限制，發展更加高效的催化劑來選擇性的得到人們期望的高附加值產物。前面提高的包信和院士團隊的成果以及來自荷蘭Utrecht大學的de Jong課題組報道的Fe納米粒子都能突破ASF的閾值，得到很高的低碳烯烴選擇性（Science,2012,335, 835-838）。對於de Jong課題組報道的複雜性Fe納米粒子催化體系，雖然低碳烯烴選擇性很高（超過60%），但是產生了大量的甲烷（20-30%），因此並不是最理想的催化劑。

幾天前，Nature上刊登了來自中國科學院上海高等研究院的孫予罕研究員（也是上海科技大學的特聘教授）、鍾良樞研究員等人的最新成果，他們發現稜柱形狀的碳化鈷（Co2C）的納米粒子能夠實現合成氣到低碳烯烴的高效直接轉化，取得了超過60%的低碳烯烴選擇性，同時把甲烷的選擇性保持在5%左右。反應的條件很溫和（1個大氣壓即可），溫度為250 ℃，並且可以用來自生物質的H2/CO比例較低的合成氣作為原料生產低碳烯烴。（Cobalt carbide nanoprisms for direct production of lower olefins from syngas.Nature,2016,538, 84-87, DOI: 10.1038/nature19786）