一种化学添加剂可大幅减少合成燃料生产中的碳排放

尽管太阳能等可再生能源的应用日益广泛，但化石燃料仍是当前能源体系的主导，因此降低其污染的措施至关重要。近日，化学家在《科学》杂志发表研究称，他们发现了一种添加剂，能显著减少将煤、天然气或农业生物质转化为柴油、汽油等液体燃料的工业过程中的碳排放。

根特大学化学家马克·赛斯（未参与该研究）评价道：“这很了不起。”

将煤等含碳化合物转化为液体燃料的技术由德国化学家弗朗茨·费歇尔和汉斯·托普希于一个世纪前发明，即费托合成工艺。该工艺需以合成气为原料，合成气是一氧化碳（CO）和氢气（H₂）的混合物，通过在高温高压下“处理”煤生成。随后，催化剂促使合成气反应生成碳氢化合物，进一步加工可制成燃料及其他有价值的化学品。

20世纪30年代，德国曾用此工艺为纳粹战争机器提供燃料；南非在种族隔离时期则利用本国丰富的煤炭资源生产燃料。尽管成本较高，但该方法至今仍用于满足战略燃料安全需求，或在煤炭、天然气等原料丰富的地区使用。

然而，这一化学过程污染严重。生产合成气所需能量通常来自燃烧化石燃料，且费托合成过程中的副反应会将合成气中的大量碳转化为二氧化碳（CO₂）。在典型工业装置中，合成气中约三分之一的碳最终会以二氧化碳形式排入大气。

标准费托合成工艺使用铁基催化剂，从一氧化碳分子中“剪下”碳原子并与氢分子结合，随后更多碳和氢结合形成多种烯烃（短碳氢链）。问题在于，从一氧化碳分离出的氧原子会与氢结合生成水，而在同一催化剂作用下，水会与一氧化碳发生另一种反应，生成二氧化碳和氢气。氢气可回收再利用，但二氧化碳则成为污染物。

多年来，化学家尝试用疏水涂层保护铁催化剂以阻止不必要的二氧化碳生成，但效果有限。北京大学化学家马丁（领导该新研究）指出，为获得更好效果，他的团队在合成气混合物中添加了微量卤代甲烷化合物。当添加约20ppm的甲基溴（一种卤代甲烷）时，溴原子会附着在铁催化剂颗粒表面，阻止水分子结合并分解——这正是生成二氧化碳反应的第一步。

马丁及其团队报告称，结果是合成气中转化为二氧化碳的碳比例从约三分之一降至1%以下。赛斯表示，该添加剂不仅使工艺更清洁，还提高了效率：“通过确保几乎所有合成气中的碳都转化为碳氢化合物，降低了液体燃料的生产成本。”

马丁称，其团队研发的添加剂已由大型燃料生产商中国合成燃料公司（Synfuels China）开始商业化。对于每年排放数百万吨二氧化碳的大型工厂，新工艺每年可减少数十万吨二氧化碳排放，“经济效益和环境效益都十分显著。”