浙大肖丰收团队Science:给催化剂配上转运助手 ,反应效率增倍

车水马龙的路面，交警需要实时关注路况，及时疏导交通。当科学家用交警的“眼睛”去审视化学反应时，他们有了新的发现。浙江大学和中科院精密测量院的学者针对费托合成这一煤化工领域的经典反应，在催化剂里物理混入一种超疏水材料，用于快速移除聚集在催化剂表面的水分子。这种“转运助手”为催化剂表面动态清理出更丰富的反应位点，同样反应条件下让一氧化碳的转化率提升一倍，同时进一步优化了低碳烯烃的选择性，展现出良好的工业应用前景。

百年方程里，有个不起眼的平衡

 图：费托合成制烯烃反应过程

费托合成（Fischer–Tropsch process），又称F-T合成，是指以一氧化碳和氢气（合成气）为原料合成碳氢化合物的过程，因1923年发明这一方法的两位德国化学家的名字而得名。费托合成开辟了从煤炭中获得重要工业原料的路线，诞生近100年来，它帮助人们实现了从煤炭中获得燃料和精细化学品,在缓解石油依赖方面发挥了重要作用。由于我国富煤和贫油的能源机构特点，费托合成显得愈发重要。目前，我国费托合成制油已经实现了工业生产。

百年以来，科学家和工程师们对费托合成的工艺过程已进行了多次创新、改进，但要实现一氧化碳加氢反应的低成本、高效率进行，仍存在许多挑战。“我们希望在提升转化效率方面有所突破。”肖丰收介绍，300摄氏度是工业生产上的一个“台阶”，该温度以下便可使用成本更低廉的生产装备，“我们期望能够在低温反应过程取得突破”。

经过反复推敲，研究团队找到了一个新颖的突破口：催化剂表面的微平衡。“对于一个反应过程来说，很多人都会去关注宏观体系，也就是反应物、催化剂和反应产物之间的动态过程，通过调控宏观体系的动态平衡，来调控反应效能。但事实上，催化剂表面也是一个‘微环境’，微环境的动态平衡对催化剂的性能影响很关键。这在之前催化剂开发过程中往往被忽略。”

疏水高分子，输水好“伴侣”

研究团队发现，包括费托反应在内的许多化学反应过程中，过量的水是限制效能的一大因素。“反应过程中产生的水分子‘待’在催化剂表面，会遮蔽掉催化剂表面的一部分活性中心，限制了催化效能。”王亮表示，当前的生产过程还没有特别简单、有效的办法来消除这种干扰。“我们于是思考，能不能让催化剂表面的水分子快速离开？” 

 图：疏水聚合物促进水扩散简化示意图

让水快速移动，肖丰收研究团队想到了夏天茂盛的荷叶。“雨点落到荷叶时会快速滚落，这得益于荷叶表面有一层超疏水的材料。”早在2009年，团队就受荷叶启发研发出一种超疏水的聚二乙烯基苯高分子材料，“我们利用它亲油疏水的特性，用于河流湖泊表面油类污染物的快速清除。”肖丰收介绍，在本次研究中，研究团队发现它的疏水特性能够很好地起到在催化剂表面快速“转运”水分子的作用。

通过与郑安民研究组合作，团队进一步研究了“转运助手”的工作机理。聚二乙烯基苯的加入，在钴锰碳化物（催化剂）颗粒之间开辟了许多快速导水通道，较普通催化剂大幅提升了水的扩散速率。值得一提的是，“转运助手”的工作方式非常简单 ，只需要把催化剂颗粒和疏水高分子颗粒物理混合即可，两者之间并不发生化学反应，催化剂本身的结构没有变化，是一种对催化剂本身“无损”的修饰方法。

不能小看的平衡

这样一来，“转运助手”为催化剂表面清理出更大的活性区域，以发挥更好的催化性能。经过这一优化，反应过程中一氧化碳的转化率提升到无疏水助剂体系的两倍左右，达到63.5%。同时，烃类产物中低碳烯烃的选择性达到71.4%。

催化剂表面一个小小的平衡，有可能影响到千万吨级的生产线,这是前人的研究中被充分关注到的。研究团队认为，这是在化学理论与化学工程之间进行的一次思考与探索。工业生产中，90%以上的过程都需要有催化剂的参与，“催化剂表面微平衡调控”的设计理念，将为多相催化体系提供更多的设计思路。