在煤炭这一传统能源领域，一项堪称“点石成金”的技术近日赢得了世界的瞩目。这项技术，就是由国家能源集团北京低碳清洁能源研究院（以下简称低碳院）与荷兰埃因霍芬理工大学（TU/e）等机构联手研发，并在《自然》（Nature）期刊上发表的“基于纯相Fe5C2催化剂的高碳效率合成气直接制线性α-烯烃技术”。
这项技术的背后，是一群科研人员的不懈奋斗与智慧结晶。而该项技术成果也分别入选工信部、国务院国资委2023年度重点产品、工艺“一条龙”应用示范方向，以及中国科协2023年“科创中国”先导技术榜单。近日，作为该项技术的第一作者兼通讯作者，“十四五”重点研发计划项目催化剂研发负责人王鹏博士通过“科创中国”平台讲述了这段从实验室到《自然》期刊，即将落地工业示范的传奇旅程。
从无到有，“国家需要”是最大动力
故事还得从我国的能源结构说起。由于我国“多煤、贫油、少气”的能源禀赋，王鹏与低碳院煤间接液化技术中心团队十几年来一直致力于煤炭制取合成气（H₂与CO的混合气），进而制造柴油、化学品等其他下游产品的研究，旨在解决国家能源安全的战略问题。然而，随着全球绿色低碳化时代的到来，减少碳排放成为了新的目标，煤制油领域也不例外。于是，团队接到了一个新的挑战：提高反应的碳效率，降低CO₂产率，这就是基于“纯相碳化铁催化剂体系”的“低CO₂合成气制线性长链α-烯烃技术”的背景前身。
线性α-烯烃，这个听起来有些陌生的名词，却是合成高级聚烯烃、润滑油、高级洗涤剂等高端化工产业的核心原料，其用途广泛、市场需求缺口大。我国线性α-烯烃进口依存度高，价格居高不下，严重制约了我国以线性α-烯烃为关键原料的高端化工产业发展与更新迭代。为开发自主知识产权的全新线性α-烯烃合成技术途径，王鹏团队决定另辟蹊径寻找能“弯道超车”的替代技术。此时，煤炭制取合成气作为替代原料再转化为长链α-烯烃的方式映入眼帘。王鹏笑称，“举个不恰当的比喻，这条生产途径就好像是煤基合成气转化领域的‘圣杯’，但至今未能实现工业化。”那么原因为何呢？
因为卡在了催化剂问题上。此前，煤基合成气转化主要用的是铁催化剂，这种催化剂成本低、烯烃选择性高、耐硫性好，但存在二氧化碳选择性高、碳利用效率低下、活性偏低的问题。
虽然已知难度不小，不过面对国家的迫切需求，自2015年起，王鹏与团队开始对合成气转化直接制线性α-烯烃这一难题发起挑战。为了克服铁催化剂的弱点，团队基于之前的研究成果，对传统铁催化剂进行了技术创新。通过对铁催化剂本质的研究，在世界上首创以纯相碳化铁为主要活性相的思路，这样既能利用铁基催化剂价格低廉的优点，又巧妙避开了副反应的困扰。从活性相本质上提高了催化活性与碳效率，提供了新的全碳数线性α-烯烃合成技术路线。
王鹏在查看碳化铁催化剂制备样品。（受访者供图）
目前，该项技术的二氧化碳生成量比现有技术降低了80%，碳效率提升50%以上，在相同反应温度下的α-烯烃产率为现有技术的100倍以上。新技术在250-290℃的温和条件即可实现，为线性α-烯烃的大规模工业连续生产铺平了道路，初步测算实现商业化后，其线性α-烯烃生产成本仅8千元/吨，可为一个年产烯烃100万吨的煤化工厂每年创造效益近40亿元人民币。
“努力+幸运”，科研从无一帆风顺
王鹏回顾技术研发道路，可谓一步一个脚印，每一步都算数，每个原创基础理论与底层技术原理都筑牢了团队研究的根基与底座。可以说是硕果累累的，但绝不是一帆风顺的。回想开发碳化铁时，团队分析了过往几十年的大量文献，都认为碳化铁含量越高，二氧化碳产生越低，因此大家对研究方向一直充满信心，但学海无涯，研究过程中的一篇论述让他们开始自我怀疑。荷兰一研究组在权威杂志JACS上发布的理论文章中，预测的碳化铁稳定温度远低于纯相碳化铁催化剂实际应用温度，王鹏回忆那一刻团队信心受到很大影响，“我现在还清晰地记得文章里的参数，简直是备受打击，怀疑前面近两年的工作是不是在做无用功，放弃的想法几乎在脑子里产生。”
“很幸运的是，我们最终做成了。”团队抱着“既然已经做到这了那就再试一试，即便没有成功也能拥有一些宝贵经验”的想法继续前进。2017年，和团队保持长期战略合作的荷兰高校的教授兴奋地发来邮件，他表示做实验已经超过30年，第一次见到这样的特殊穆斯堡尔谱谱线，邀请王鹏来看一看。王鹏感到喜出望外，正在欧洲出差的他当即决定跨越上百公里前往。当看到电脑上谱线的那一刻，他们判断这可能是产生了新的物相，王鹏在此基础上将它做成了催化剂，这时才发现之前那篇文献在路线和判断上都没有大错误，只是因为理论推导过程中温度偏差了50度，而团队经过不断实验论证了实际温度，他说，“这其实是努力加幸运的综合结果”。
王鹏和团队成员在实验室查看运行数据。（受访者供图）
基于“纯相碳化铁催化剂体系”的“低CO₂合成气制线性长链α-烯烃技术”不仅有王鹏及团队的努力，还有10余家高校、科研院所及企业的辛苦付出。王鹏看来，产学研合作模式的核心是互补，重视过程中的环节衔接和交流对等，“集百家之长”的路上分享彼此的技术和成果，一定比“闭门搞研发”更有助于科创发展。
低碳院定向合成催化团队开展催化剂研发。（受访者供图）
做好基础研究，为行业铺就丰茂“树荫”
经过一路的不遗余力，到目前为止，升级的催化剂已顺利迈入工业化阶段，5年期间催化剂累计应用过万吨，国家能源集团宁夏煤业年产400万吨的煤制油工厂实现稳定投入使用。同时在国家“十四五”重大专项和国家能源集团的支持下，合成气直接制长链α-烯烃这一技术预计在2025年完成百吨工业化中试，2026年完成万吨级工业化实验，如实验顺利的情况下将会全面推广工业化。届时，这一技术将会对自主掌握我国高端化学品产业链技术具有重要战略和现实意义，将引领我国线性α-烯烃产业链的高端化跃升，不仅我国长链α-烯烃对外依存度过高的压力得以缓解，对实现我国煤炭清洁转化的高端化、多元化、低碳化也具有重要意义。
技术的成功实现不仅在于实力过硬，也在于科研人员的强大内核和广阔胸怀。在被问及如何保持团队竞争力和行业未来如何发展时，王鹏表示，一方面要“以不变应万变”，他强调，保持自身扎实的基础研究是最重要的，就算未来市场或需求产生变化，我们也会对任何情况都有所应对和把握。其次，“如果一个新的研究方向、一个新的产业没有其他研究机构、公司来参与竞争，不能算是一个好的研究方向，更不能算是一个成功的产业”，他推崇注重加强自身实力，把专业赛道拓宽、技术做得更立体，这才对整个煤基合成气转化行业的发展起到推动良性循环的作用。
展望未来，王鹏博士对行业的前景有着清晰而深远的洞察。他坚信，行业的大趋势正坚定不移地迈向低碳化与高端化。这一信念，深深植根于他对国家科技政策的深刻理解与认同之中。
“未来团队还将扎根基础研究，以国家需要为发展方向，争取做能‘栽树’的‘前人’，为行业未来发展提供一片丰茂‘树荫’”。王鹏深知，只有根深才能叶茂，只有基础扎实才能攀登科技高峰。而我们也有理由相信，随着时间的推移，我国在科技创新领域的研究与应用将如同累累硕果不断涌现，展现出勃勃生机。
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