转化率高达95%，科学家构建廉价铁催化体系一步合成长链α-烯烃

低碳烯烃是石油化工生产中最基本的原料，一般是指那些碳原子数小于或者等于 4 的烯烃，例如常见的乙烯、丙烯、丁烯等。

目前，全球在低碳烯烃的高效转化方面已取得显著突破。2012 年，荷兰乌特勒支大学克林·P·德容（Krijn P. de Jong）教授在 Science 上首次报道了合成气转化硫助剂大幅提升低碳烯烃的选择性。

长链烯烃是指碳原子数大于 4 的烯烃，其在合成润滑油、表面活性剂、用于生产农药、香料、涂料、缓蚀剂等精细化工产品等领域具有广泛的应用前景。

但是，学术界对长链烯烃合成的研究和利用的关注相对较少，并且其存在产业化瓶颈等问题。

尽管传统的甲醇制烯烃技术（MTO，Methanol to Olefins）在生产低碳烯烃方面已经非常成熟，与其他工艺过程相比，具有显著的优势。

然而，从石油路线很难直接获得高价值的长链烯烃，如果从煤基费托路线一步合成，则存在选择性差的显著不足。

为解决上述难题，近期，江南大学刘小浩教授课题组展开研究。其表明，通过非贵金属廉价铁基费托合成，在高活性的催化剂的作用下能够仅通过一步合成反应，获得高选择性的长链 α-烯烃。

具体来说，在合成气（一氧化碳/氢气）反应中能够兼具一氧化碳高转化率（高于 95%）和低甲烷生成（大概 5%），并且长链烯烃的选择性高于 65.4%，其产物主要集中在含有 5-9 个碳原子的长链 α-烯烃。

该研究的突破性体现在长链烯烃兼具高选择性和高转化率。这意味着，原料在反应后几乎全部转化，大大减少了工业生产过程中循环利用的需要，从而降低了能耗和提高了效率。

以往研究中合成气一步合成烯烃主要聚焦在低碳烯烃合成，尽管低碳烯烃具有较高的选择性，能达到 60% 至 70%。但是，其存在转化率不足、未反应的原料与低碳烯烃难于分离等一系列问题。

刘小浩表示：“在该研究中，由原料高转化率生成的长链烯烃，不但工艺过程消耗能量低，而且产品的附加值远高于生成低碳烯烃。”

刘小浩团队在开发费托合成技术、碳一（合成气）化工、二氧化碳催化转化和低碳烷烃催化转化等方向上，已有二十多年的技术积累和经验。

一直以来，他们重点关注如何提高催化剂的寿命，这也是该研究中重要的技术指标之一。

为了解决催化剂稳定性问题，他们采取了一种新策略，在催化剂表面添加少量硫化物（例如硫化钠），并采用一种非负载的、钠改性的大尺寸铁锌尖晶石氧化物作为催化剂的基础材料。

这种新的方法能够控制合成气中一氧化碳的吸附和解离速度，与碳转化生成产物的速度保持平衡，能够避免因碳大量沉积导致的催化剂失活，从而让催化剂保持较高的稳定性。

相对而言，未添加硫化物助剂的催化剂在反应过程中会快速失活，其产物主要生成低价值的甲烷。

日前，相关论文以《铁基催化剂催化二氧化碳/氢气和一氧化碳/氢气选择性生产低碳 α-烯烃和长链 α-烯烃：硫化钠和水的影响》（Selective production of light α-olefins and long-chain α-olefins from CO2/H2 and CO/H2 over iron-based catalysts: Effects of Na2S and H2O）为题发表在 Journal of Catalysis[1]。

江南大学博士研究生李玉峰和硕士研究生陈加扬是共同第一作者，刘小浩教授担任通讯作者。

在未来的研究中，该课题组计划与企业合作将现有成果向工业化推进，并进行长期稳定性寿命实验来验证催化剂规模化使用和经济可行性，在此基础上进一步研究优化产品分离过程。

其中，解决催化剂的稳定性问题是研究的核心目标。研究人员希望在提升效能的同时，将二氧化碳的选择性降低，并获得低甲烷、低二氧化碳、高长链烯烃选择性，以及高的一氧化碳转化率。

据了解，目前该团队正在与多家企业和相关机构共同探讨合作的可能性，由于契合绿色、低碳过程、高碳效率、高值化方向发展的政策，未来该研究有望助力高端精细化学品产业和绿色低碳领域的发展。

参考资料：

1.Li,Y., et al. Selective production of light α-olefins and long-chain α-olefins from CO2/H2 and CO/H2 over iron-based catalysts: Effects of Na2S and H2O. Journal of Catalysis 436, 115587(2024). https://doi.org/10.1016/j.jcat.2024.115587

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