近日，精密測量院鄭安民研究團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)王亮、肖豐收研究團(tuán)隊(duì)合作報道了一種控制催化劑表面微觀環(huán)境中水物種的吸-脫附平衡的策略，實(shí)現(xiàn)合成氣制備低碳烯烴過程中催化劑效率翻倍，同時進(jìn)一步優(yōu)化了低碳烯烴的選擇性，展現(xiàn)出良好的工業(yè)應(yīng)用前景。相關(guān)研究進(jìn)展在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。  

　　費(fèi)托合成（Fischer–Tropsch process），又稱F-T合成，是指以合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體）為原料合成碳?xì)浠衔锏倪^程，因1923年發(fā)明這一方法的兩位德國化學(xué)家的名字而得名。費(fèi)托合成開辟了從煤炭中獲得重要工業(yè)原料的路線，誕生近100年來，它幫助人們實(shí)現(xiàn)了從煤炭中獲得燃料和精細(xì)化學(xué)品,在緩解石油依賴方面發(fā)揮了重要作用。由于我國富煤和貧油的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，費(fèi)托合成顯得愈發(fā)重要。

　　百年以來，科學(xué)家和工程師們對費(fèi)托合成的工藝過程已進(jìn)行了多次創(chuàng)新、改進(jìn)，但要實(shí)現(xiàn)一氧化碳加氫反應(yīng)的低成本、高效率進(jìn)行，仍存在許多挑戰(zhàn)。鈷基費(fèi)托反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水分子吸附在催化劑表面，會遮蔽掉催化劑表面的一部分活性中心，限制催化效能。因此，催化劑表面的水分子快速脫附顯得尤為重要。經(jīng)過反復(fù)推敲，研究團(tuán)隊(duì)找到了一個新穎的突破口，通過在催化體系中物理混合超疏水材料（聚二乙烯基苯）來調(diào)控催化劑表面水分子的動態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)對催化劑的性能調(diào)控。聚二乙烯基苯就像“轉(zhuǎn)運(yùn)助手”，在鈷錳碳化物（催化劑）顆粒之間開辟許多導(dǎo)水通道，為催化劑表面釋放出更多的活性位點(diǎn)，較普通催化劑大幅提升了水的擴(kuò)散速率。經(jīng)過這一優(yōu)化，在250 °C和0.1 MPa的溫和反應(yīng)條件下一氧化碳的轉(zhuǎn)化率提升到無疏水助劑體系的兩倍左右，達(dá)到63.5%。同時，烴類產(chǎn)物中低碳烯烴的選擇性達(dá)到71.4%。

　　在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，鄭安民團(tuán)隊(duì)采用高精度的理論模擬，從微觀層面進(jìn)一步研究通道潤濕性對水?dāng)U散的影響。分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)親水通道與水分子相互作用并減慢它們的擴(kuò)散，而疏水通道與水分子之間的弱相互作用加速了水的逸出。非平衡動力學(xué)模擬結(jié)果表明，疏水通道更有利于附著在催化劑表面的水分子快速逸出，從而改變催化劑表面的微觀環(huán)境，促進(jìn)水分子的脫附和抑制其再吸附，有效地讓催化劑活性中心釋放出來，推動反應(yīng)正向進(jìn)行，為催化劑持續(xù)高效工作提供有利條件。

　　不同于傳統(tǒng)費(fèi)托催化劑的研究，該工作主要聚焦于反應(yīng)產(chǎn)物在催化劑表面的吸-脫附微平衡調(diào)控上。通過催化劑和疏水助劑物理混合，在催化劑表面構(gòu)筑特定的微觀環(huán)境，對現(xiàn)有催化劑“無損”情況下進(jìn)行反應(yīng)性能調(diào)控，優(yōu)于通常采用的化學(xué)修飾方法。這種新型催化體系不需要改造現(xiàn)有工業(yè)反應(yīng)路線，能夠高效率地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

　　該研究以“催化劑和疏水性聚合物的物理混合促進(jìn)水分子逸出來提升 CO 加氫反應(yīng)性能”（Physical mixing of a catalyst and a hydrophobic polymer promotes CO hydrogenation through dehydration ）為題于7月22日在《科學(xué)》雜志上線。浙江大學(xué)博士生方偉、王成濤和精密測量院特別研究助理劉志強(qiáng)為論文的第一作者，浙江大學(xué)教授肖豐收、研究員王亮和精密測量院研究員鄭安民為論文通訊作者。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo0356