始终如一突破“极限”丨中科院“十三五”科技创新成就展示编者按：日前

编者按：日前，数千项重大科技成果在国家“十三五”科技创新成就展集中展示，中科院多项成果入选其中。“中科院之声”特开设《中科院“十三五”科技创新成就展示》专栏，将带您一起深入了解其中的成果，看看这些重大研究背后的故事。

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煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置中科院大连化物所供图
从理论到实践的路有多长？
国家“十三五”科技创新成就展上，基础研究展区到高新技术展区只有区区几步路，但对位于基础研究展区的“纳米限域催化”概念而言，为它落地形成高新技术展区的煤经合成气直接制高值化学品千吨级规模工业试验装置，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）的科研人员和合作企业奋斗了3年。
烯烃、芳烃等高值化学品是化工生产的核心，一直以来，这些基础化学品主要来自石油。而我国是一个贫油、少气、相对富煤的国家，大量依赖进口石油来生产液体燃料和化学品关系到国家能源安全。为了解决这一问题，向储量相对丰富的煤炭要答案成为众多科研团队的研究方向。
“我国化学品生产每年消耗约1.2亿吨原油，实现煤炭清洁高效转化具有重要的战略意义，科技要为‘能源革命’提供支撑。”中国科学院院士包信和说。
费托百年存极限
事实上，业界百年前就发明了煤经合成气生产高碳化学品和液体燃料的技术。
上世纪20年代，德国科学家费舍尔和托普希创建了费托过程。该过程中，一氧化碳（CO）分子首先被金属或金属碳化物催化剂活化解离成碳（C）原子和氧（O）原子，再加氢形成亚甲基中间体，同时放出水分子。亚甲基中间体在开放的催化剂表面聚合生成含不同碳原子数的烃类产物。
历经百年，费托合成在基础研究和应用研究领域都取得了重要进展和技术突破，成为煤制油和气制油的关键核心技术。因此，以合成气为原料直接转化制备碳原子数为2~4的低碳烯烃产物，费托过程自然成为首选的技术路线。
但传统费托反应中，合成气在金属或金属碳化物催化剂表面经活化后，反应遵循表面链增长机理，导致烃类产物碳原子数分布宽，目标产物的选择性低。同时，这一过程需要消耗大量氢气（H2）移去氧原子， H2往往通过水煤气变换获得，而水煤气变换过程又是一个高水耗、高能耗的过程，同时会释放出大量二氧化碳（CO2）。
为了提高低碳烯烃产物的选择性，科学家做了大量探索，通过各种技术对费托催化剂进行改进和修饰，但低碳烯烃产物选择性一直难以突破费托合成过程产物的理论极限。同时，催化剂活性与选择性往往存在此消彼长的“跷跷板”难题，即催化活性提高后，目标产物选择性往往较低；提高产物选择性，其活性又较低。
上世纪90年代，包信和就带领团队锁定能源转化中的催化基础研究，瞄准煤、天然气等非石油资源的转化利用，致力于创新高效、环境友好的催化过程。历经20余年，研究团队于2016年在《科学》上发表了“合成气直接转化制低碳烯烃”重要成果。近日，该成果的理论基础“纳米限域催化”获得2020年度国家自然科学奖一等奖。
“距离”产生“美”
【始终如一突破“极限”丨中科院“十三五”科技创新成就展示】在此理念的指导下，研究团队将合成气转化中“活化”与“偶联”两个关键步骤分开，创制双功能催化剂，采用界面限域氧化物活化一氧化碳和氢气，生成的中间体迅速进入分子筛孔道，在纳米孔道限域环境中进行择形偶联反应，定向生成低碳烯烃。

始终如一 突破“极限”丨中科院“十三五”科技创新成就展示

始终如一突破“极限”丨中科院“十三五”科技创新成就展示