該研究通過原創(chuàng)“純相χ-碳化鐵”催化劑,實(shí)現(xiàn)煤炭、天然氣或生物質(zhì)轉(zhuǎn)化得到的合成氣(氫氣與一氧化碳的混合氣)直接轉(zhuǎn)化為高端化學(xué)品線性α-烯烴,可大幅提高碳效率、降低二氧化碳生成,填補(bǔ)了國際技術(shù)空白,為一步法制備高端線性α-烯烴提供了新途徑。研究成果提出“純相碳化鐵催化劑體系”新理論,并將新技術(shù)命名為“FTLAO”技術(shù)。
這也是低碳院煤間接液化技術(shù)研究中心團(tuán)隊(duì)繼CNFT系列鐵基費(fèi)托合成催化劑成功開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用之后取得的又一重大研究成果,團(tuán)隊(duì)的研究領(lǐng)域從煤制油擴(kuò)展到煤制高端油品化學(xué)品。低碳院煤間接液化技術(shù)研究中心定向合成催化部以“十年磨一劍”的韌勁和“一輩子辦成一件事”的執(zhí)著,在催化關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大技術(shù)突破,為“費(fèi)托十年之路”書寫了濃墨重彩的一筆,強(qiáng)力響應(yīng)了劉國躍董事長在集團(tuán)公司第四屆科技創(chuàng)新大會上提出的“催化看低碳院”的科技品牌建設(shè)號召。
勇?lián)厝?nbsp; 青年科學(xué)家首創(chuàng)“純相碳化鐵催化劑體系”
長鏈α-烯烴(linear α-olefins, 簡稱LAO)作為是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的核心原料和重要中間體,全球消費(fèi)量逐年遞增,具有廣闊的市場,需求巨大。受制于傳統(tǒng)的乙烯齊聚合成技術(shù),我國的長鏈α-烯烴需要依賴大量進(jìn)口,嚴(yán)重限制了我國高端化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
面對國家戰(zhàn)略的迫切需求,自2015年伊始,低碳院煤間接液化技術(shù)研究中心青年科學(xué)家、團(tuán)隊(duì)技術(shù)帶頭人王鵬博士挺身而出,開始對合成氣轉(zhuǎn)化直接制線性α-烯烴這一難題發(fā)起挑戰(zhàn)。課題研發(fā)的第一道難關(guān)是技術(shù)路線的選擇,鈷基催化劑活性卓越,但價(jià)格不菲;鐵基催化劑價(jià)格低廉,但普遍存在CO2選擇性高、碳利用效率低、液體產(chǎn)品中C6+ α-烯烴組分少等問題,技術(shù)路線如何選擇成為一大難題。
王鵬在查看碳化鐵催化劑制備樣品
王鵬并沒有急于下結(jié)論,而是首先對鐵基催化劑催化活性產(chǎn)生的本質(zhì)——活性相與活性位問題進(jìn)行了深入思考,他在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合多種先進(jìn)原位表征技術(shù),對鐵基催化劑的活性相和活性位問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鐵基催化劑CO2選擇性高、碳利用效率低等問題的本質(zhì)并非源自鐵基催化劑自身的缺陷,而是催化劑還原碳化過程中生成了其他物相導(dǎo)致了副反應(yīng)的發(fā)生。基于此點(diǎn)發(fā)現(xiàn),王鵬提出了以純相碳化鐵為催化劑活性相的原創(chuàng)思路,這樣既能夠利用鐵基催化劑價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),又巧妙避開了副反應(yīng)的困擾。
理清思路后,王鵬還要面對的一大難題是課題研發(fā)初期人員嚴(yán)重不足,課題一度只能通過向其他研究中心借調(diào)人員以保證研究工作不斷向前推進(jìn)。面對困難,王鵬主動將科研任務(wù)一肩挑,一人身兼多職,從最初的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想到樣品制備再到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與驗(yàn)證都親力親為。深夜的燈光下,常常是他忙碌而堅(jiān)定的身影,這樣的工作狀態(tài)對他而言,早已成為了習(xí)以為常的科研日常。
王鵬和團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室查看運(yùn)行數(shù)據(jù)
除了團(tuán)隊(duì)成員少的難題,課題組還面臨關(guān)鍵儀器設(shè)備缺乏的挑戰(zhàn)。純相碳化鐵催化劑高度活潑,無法在空氣中穩(wěn)定存在,因此對其進(jìn)行表征研究需要使用各種高級原位表征儀器。但課題初期階段,低碳院缺少原位穆斯堡爾譜、環(huán)境電鏡等必需的原位儀器,導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。面對這一困難,王鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)積極“走出去”,主動與國內(nèi)外知名高校和科研單位建立深度聯(lián)系和合作,先后與北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京科技大學(xué)、荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)建立了合作關(guān)系。在課題的攻堅(jiān)階段,王鵬經(jīng)常在各地來回奔波,期望以最快速度獲得真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。功夫不負(fù)有心人,最終,團(tuán)隊(duì)與北京科技大學(xué)合作使用環(huán)境電鏡在世界上首次原位捕捉到“純相χ-碳化鐵”的生成全過程。
捷報(bào)頻傳 “十四五”國家重大專項(xiàng)落地
王鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦工作,發(fā)現(xiàn)以純相碳化鐵替代傳統(tǒng)鐵催化劑活性位時(shí),催化劑展示出“近零CO2選擇性”的特性以及95%以上的超高碳效率,打破了學(xué)術(shù)界對鐵催化劑固有的低碳效率的認(rèn)知。2018年該成果以《基于“純相ε-碳化鐵”的超低CO2選擇性費(fèi)托合成》為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》子刊(Science Advances)上,課題的研究自此開始步入快車道。
2022年,由低碳院牽頭,聯(lián)合國家能源集團(tuán)包頭煤化工、寧夏煤業(yè),北京大學(xué),中國科學(xué)院過程所等10家研發(fā)單位,成功申請了“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“低CO2選擇性合成氣直接轉(zhuǎn)化制長鏈α-烯烴成套技術(shù)”。該研發(fā)項(xiàng)目以低碳院原創(chuàng)“純相碳化鐵催化劑體系”為核心,采用高效漿態(tài)床反應(yīng)器,與長鏈α-烯烴的高效分離與產(chǎn)物綜合利用技術(shù)相結(jié)合,形成合成氣直接制長鏈α-烯烴成套技術(shù)。
國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“低CO2選擇性合成氣直接轉(zhuǎn)化制長鏈α-烯烴成套技術(shù)”項(xiàng)目啟動會
“十四五”重大專項(xiàng)計(jì)劃的成功申報(bào),標(biāo)志著王鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“純相碳化鐵催化劑體系”開始走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用和工業(yè)化開發(fā)階段。項(xiàng)目完成后,將填補(bǔ)國內(nèi)煤化工高附加值特種化學(xué)品技術(shù)的缺口,助力我國煤化工產(chǎn)業(yè)向高端化、多元化、低碳化發(fā)展,同時(shí)也將為推動下游高端聚烯烴產(chǎn)業(yè)的發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。
國際合作 共筑低碳科技新高度
在“純相碳化鐵催化體系”研究過程中,王鵬與團(tuán)隊(duì)非常注重國際化合作,積極推動構(gòu)建低碳技術(shù)研究全球創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。團(tuán)隊(duì)與荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)(TU/e)聯(lián)合建立了“NICE-TU/e 碳一催化合作實(shí)驗(yàn)室”,定期開展學(xué)術(shù)交流與合作研究。雙方合作在《ACS催化期刊 》(ACS Catalysis)、《催化學(xué)報(bào)》(Journal of Catalysis)等多個(gè)國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了具有國際影響力的論文,并受邀在美國化學(xué)會年會、世界天然氣轉(zhuǎn)化大會、荷蘭國家催化會議等影響力較大的國際會議上進(jìn)行報(bào)告交流,極大提升了國際學(xué)術(shù)影響力。
十年一劍 “FTLAO”技術(shù)領(lǐng)先世界
自2015年至2024年,近十載光陰如白駒過隙,王鵬和團(tuán)隊(duì)成員心懷“國之大者”,堅(jiān)定服務(wù)國家重大戰(zhàn)略,牢牢扛起科技創(chuàng)新的重任,勇于開拓、不懈奮斗,在名利之外默默耕耘,從零的起點(diǎn)鑄就輝煌,成功研發(fā)首創(chuàng)了革命性的“FTLAO”技術(shù)。這一技術(shù)不僅徹底突破了我國在合成氣直接轉(zhuǎn)化制備線性α-烯烴技術(shù)上的瓶頸,更引領(lǐng)著我國在該領(lǐng)域技術(shù)水平位列全球領(lǐng)先地位。
低碳院定向合成催化團(tuán)隊(duì)開展催化劑研發(fā)
截至目前,基于“純相碳化鐵催化劑體系”,團(tuán)隊(duì)共申請發(fā)明專利101件,其中國際專利34項(xiàng),出版英文專著2部,發(fā)表SCI收錄文章30余篇,取得了累累碩果,鼓舞人心。
展望未來,王鵬及其團(tuán)隊(duì)將始終懷揣低碳初心,牢記創(chuàng)新使命,大力弘揚(yáng)新時(shí)代科學(xué)家精神,持續(xù)深耕合成氣轉(zhuǎn)化直接制線性α-烯烴技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用之路。他們將以更加堅(jiān)定的步伐,早日將這一科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力,為我國能源化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級貢獻(xiàn)重要力量!
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