山西煤化所在光催化費托合成研究中取得進展

　　費托合成將合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣）在催化劑作用下轉化為碳氫化合物，產物主要為直鏈的烷烴和烯烴。隨著石油資源的日益短缺，以及合成氣來源的多樣化，由費托合成過程制備液體燃料和化學品受到人們越來越多的重視。這也是將非石油資源（如煤、天然氣和生物質等）轉化為清潔燃料和化學品的關鍵過程。目前，費托合成技術在我國已經接近大規模商業化應用階段，但仍然存在一些問題，如能耗高、產物的選擇性較差等。中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室研究員郭向云課題組首次提出光催化費托合成的概念，通過施加光外場在較低溫度下實現了一氧化碳高效轉化和產物選擇性的控制。相關工作發表于ACS Catal.，并獲得國家發明ZL授權（ZL號：ZL 2014 1 0745484.2）。

　　在光照條件下，金屬納米顆粒表面會產生具有高能量的載流子。這些載流子躍遷到吸附態分子的空軌道，使之形成一種帶電荷的離子態，進而在一個與熱反應完全不同的高勢能面發生反應，因此可得到不同于熱反應的產物分布。研究團隊采用石墨稀負載的具有蠕蟲狀結構的釕納米線為催化劑，在可見光照射、150oC下，催化劑活性可達14.4molCO?molRu?1?h?1，是暗反應條件下的兩倍，增加光照強度或者減小入射光波長，可進一步提高催化劑活性。光照下，釕的d電子吸收光能成為高能“熱”電子，然后反饋到釕表面吸附態CO分子的2π*軌道，加速CO的解離，提高反應活性。同時，光催化條件下，產物分布顯著改變，C5+的選擇性明顯提高。一般認為，釕催化的費托合成經歷CH+CH的偶聯過程，而非C+CO偶聯過程，因為前者在釕活性位催化的能壘更低。CH+CH偶聯過程中，兩者通過電子與釕的d空軌道疊加，使其泡利相斥作用減弱，進而實現偶聯。光照有利于釕的d電子躍遷，從而形成更多的空軌道，使泡利相斥作用進一步減弱，有利于碳鏈增長。

　　地球上的所有生物質都是通過光合作用形成的，生物質經過簡單氣化就可以得到費托合成所需要的原料氣——合成氣。光催化費托合成過程能最大限度地利用太陽能，并將其轉化為液體燃料和化學品，實現太陽能的綠色利用和低碳循環。

　　該研究得到了國家自然科學基金委（21403270和21473232）、山西省青年科技研究基金（2013021007?1）和煤轉化國家重點實驗室自主課題（2014BWZ006）的資助。

光催化費托合成反應示意圖