費(fèi)托合成是將煤和天然氣轉(zhuǎn)化為液體燃料的核心技術(shù)，是以合成氣(一氧化碳和氫氣)為原料在催化劑和適當(dāng)反應(yīng)條件下合成以石蠟烴為主的液體燃料的工藝過程。

    1923年，德國化學(xué)家F.費(fèi)歇爾和H.托羅普施開發(fā)出費(fèi)托合成技術(shù)，第二次世界大戰(zhàn)期間這一技術(shù)投入規(guī)模生產(chǎn)，迄今已有80年的歷史。費(fèi)托合成通常采用金屬催化劑，如鐵或鈷。催化劑往往被擔(dān)載在碳或二氧化硅上以優(yōu)化其活性。所得產(chǎn)物主要成分是直鏈烷烴、烯烴，副產(chǎn)品有少量芳烴、水和二氧化碳。

    不久前，中國化學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了在水介質(zhì)中進(jìn)行費(fèi)托合成，比現(xiàn)有的費(fèi)托合成過程更清潔、更高效。

    在全世界都面臨石油短缺的現(xiàn)狀下，費(fèi)托合成成為各國政府能源戰(zhàn)略決策中的重要研發(fā)目標(biāo)。
    
    自2005年起，在國家自然科學(xué)基金的資助下，北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授寇元的課題組進(jìn)行離子液體和水相費(fèi)托合成研究，實(shí)現(xiàn)了在水中用水溶性的高聚物保護(hù)2鈉米尺度的釕金屬簇催化該反應(yīng)。該成果近日在德國《應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie)上在線發(fā)表，立即引起關(guān)注，英國皇家化學(xué)會的會刊《化學(xué)世界》(Chemistry World)。于2007年12月以《水相費(fèi)托清潔綠色》為題作了評述，指出“中國科學(xué)家首次在水介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了費(fèi)托合成，這是邁向烴類燃料綠色生產(chǎn)的一大步”。    

    寇元在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)介紹，目前工業(yè)上費(fèi)托合成主要采用負(fù)載金屬催化劑在漿態(tài)床等反應(yīng)器中進(jìn)行，這種方式有非常明顯的缺陷：能耗高、效率低、操作復(fù)雜。反應(yīng)的溫度通常要達(dá)到240℃，反應(yīng)后生成的油體常常與催化劑混合在一起，反應(yīng)器越大，漿態(tài)反應(yīng)操作越復(fù)雜。

    該課題組提出的全新方法是讓反應(yīng)在水體中進(jìn)行，采用釕原子簇作為催化劑。這種非擔(dān)載的催化劑比通常的催化劑活性更高，因此可以在更低的溫度下使反應(yīng)運(yùn)行，在150℃下催化活性高出傳統(tǒng)的負(fù)載催化劑35倍，100℃時(shí)的活性與負(fù)載催化劑200℃時(shí)的結(jié)果相當(dāng)。由于減少了反應(yīng)過程中高溫導(dǎo)致的能耗，經(jīng)濟(jì)性明顯改善。此外，由于碳?xì)洚a(chǎn)物不溶于水，反應(yīng)后生成的油體會與水體分相，所以得到的燃料油不會被催化劑所污染。    

    費(fèi)托合成的總的工藝流程主要包括煤氣化、氣體凈化、費(fèi)托合成和產(chǎn)品精制改質(zhì)等。合成氣中的氫氣與一氧化碳的摩爾比要求在2～2.5。反應(yīng)器采用固定床或流化床兩種形式。如以生產(chǎn)柴油為主，宜采用固定床反應(yīng)器；如以生產(chǎn)汽油為主，則用流化床反應(yīng)器較好。近年來正在開發(fā)的漿態(tài)反應(yīng)器，則適宜于直接利用德士古煤氣化爐或魯奇熔渣氣化爐生產(chǎn)的合成氣。鐵系化合物是費(fèi)托合成催化劑較好的活性組分。

    目前，以煤為原料通過費(fèi)托合成制取的輕質(zhì)發(fā)動機(jī)燃料，在經(jīng)濟(jì)上尚不能與石油產(chǎn)品競爭。但作為能生產(chǎn)石油替代品的工藝，費(fèi)托合成在各國都是研發(fā)熱點(diǎn)。

    寇元說，能源的利用是科學(xué)和技術(shù)問題，然而，能源的合理、有效利用則是政府的對策問題。美國在能源的每個(gè)領(lǐng)域占據(jù)絕對優(yōu)勢，就是由于政府決策在其中起作用。

    作為北京大學(xué)教授和國家自然科學(xué)基金委員會的評審專家，寇元希望在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域能放眼于國家的長遠(yuǎn)需求，給政府合理、有效地使用能源提供政策依據(jù)。

    “我們國家面臨兩個(gè)時(shí)間限：一是沒有石油的時(shí)候，二是沒有煤的時(shí)候�！笨茉�說。我國石油資源并不豐富，需要大量進(jìn)口，因此對煤的利用倍加重視。但是，當(dāng)煤的利用造成太嚴(yán)重后果時(shí)，或是煤也耗盡時(shí)，則必然地進(jìn)入后石油時(shí)代和后化石能源時(shí)代。

    兩個(gè)時(shí)代有不同的任務(wù)：后石油時(shí)代的任務(wù)是合理、潔凈地利用煤，用煤來替代石油；后化石資源時(shí)代，就是怎么利用生物質(zhì)。

    雖然這些可能是五十年上百年之后的悲觀圖景，但基礎(chǔ)研究本就該著眼于50年后的未來，需要有科學(xué)家長期地持續(xù)努力。冠元認(rèn)為：“科學(xué)家在能源領(lǐng)域的職責(zé)，就是要找到更高效更綠色的用煤替代石油的方法、更簡潔更便利地利用生物質(zhì)的方法�！�

    1998年起，寇元開始進(jìn)行離子液體和綠色化學(xué)研究，倡導(dǎo)“功能化離子液體”，提出液相擔(dān)載納米金屬簇催化劑的研究方向。為了推動我國綠色化學(xué)的發(fā)展，2005年，北京大學(xué)成立了綠色化學(xué)研究中心，寇元任研究中心主任，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、“973”項(xiàng)目課題等重大科研課題。

    2005年，他們在超常壽命納米簇催化劑的研究方面取得重要進(jìn)展，美國化學(xué)會會刊《化學(xué)與工程新聞》作了報(bào)道。與此同時(shí)，他的一位博士生很有信心地提出，他們的相關(guān)研究已有了基礎(chǔ)，可以開始應(yīng)用于費(fèi)托合成的探索了。這給了課題組新的啟發(fā)，“積累了好多年，突然就覺得離成功不遠(yuǎn)了”。結(jié)果證明，這一思路是對的。從2005年開始轉(zhuǎn)入這一研究，不過兩年時(shí)間，課題組就作出了一系列成果。

    寇元認(rèn)為，這一研究成果提出了全新的思路，給未來費(fèi)托合成的工業(yè)開發(fā)提出了新的方向，這就是要實(shí)現(xiàn)低溫、水相。另一方面，能源研究涉及國家戰(zhàn)略和國家安全，中國科學(xué)家應(yīng)該加倍努力，發(fā)展自己的專有技術(shù)，為國家解憂。

    費(fèi)托合成是將來必然要替代石油的重大工業(yè)過程。一項(xiàng)新技術(shù)一旦大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，完全可能取代現(xiàn)有的整個(gè)工業(yè)費(fèi)托合成體系。當(dāng)前國內(nèi)的費(fèi)托釕催化劑合成還未形成大的規(guī)模，還處于試驗(yàn)投產(chǎn)階段，如果采用新的體系，則意味著新的投資、新的研發(fā)，資金和人力的投入十分巨大。此外，釕催化劑用于工業(yè)規(guī)模顯得過于昂貴，因此，該課題組正在考慮用更便宜的金屬，如鐵等作為催化劑。

來源：科學(xué)時(shí)報(bào)