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

    1923年，德國化學家F.費歇爾和H.托羅普施開發出費托合成技術，第二次世界大戰期間這一技術投入規模生產，迄今已有80年的歷史。費托合成通常采用金屬催化劑，如鐵或鈷。催化劑往往被擔載在碳或二氧化硅上以優化其活性。所得產物主要成分是直鏈烷烴、烯烴，副產品有少量芳烴、水和二氧化碳。

    不久前，中國化學家首次實現了在水介質中進行費托合成，比現有的費托合成過程更清潔、更高效。

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

    寇元在接受《科學時報》記者采訪時介紹，目前工業上費托合成主要采用負載金屬催化劑在漿態床等反應器中進行，這種方式有非常明顯的缺陷：能耗高、效率低、操作復雜。反應的溫度通常要達到240℃，反應后生成的油體常常與催化劑混合在一起，反應器越大，漿態反應操作越復雜。

    該課題組提出的全新方法是讓反應在水體中進行，采用釕原子簇作為催化劑。這種非擔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運行，在150℃下催化活性高出傳統的負載催化劑35倍，100℃時的活性與負載催化劑200℃時的結果相當。由于減少了反應過程中高溫導致的能耗，經濟性明顯改善。此外，由于碳氫產物不溶于水，反應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。    

    費托合成的總的工藝流程主要包括煤氣化、氣體凈化、費托合成和產品精制改質等。合成氣中的氫氣與一氧化碳的摩爾比要求在2～2.5。反應器采用固定床或流化床兩種形式。如以生產柴油為主，宜采用固定床反應器；如以生產汽油為主，則用流化床反應器較好。近年來正在開發的漿態反應器，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的合成氣。鐵系化合物是費托合成催化劑較好的活性組分。

    目前，以煤為原料通過費托合成制取的輕質發動機燃料，在經濟上尚不能與石油產品競爭。但作為能生產石油替代品的工藝，費托合成在各國都是研發熱點。

    寇元說，能源的利用是科學和技術問題，然而，能源的合理、有效利用則是政府的對策問題。美國在能源的每個領域占據絕對優勢，就是由于政府決策在其中起作用。

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

    “我們國家面臨兩個時間限：一是沒有石油的時候，二是沒有煤的時候。”寇元說。我國石油資源并不豐富，需要大量進口，因此對煤的利用倍加重視。但是，當煤的利用造成太嚴重后果時，或是煤也耗盡時，則必然地進入后石油時代和后化石能源時代。

    兩個時代有不同的任務：后石油時代的任務是合理、潔凈地利用煤，用煤來替代石油；后化石資源時代，就是怎么利用生物質。

    雖然這些可能是五十年上百年之后的悲觀圖景，但基礎研究本就該著眼于50年后的未來，需要有科學家長期地持續努力。冠元認為：“科學家在能源領域的職責，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的方法。”

    1998年起，寇元開始進行離子液體和綠色化學研究，倡導“功能化離子液體”，提出液相擔載納米金屬簇催化劑的研究方向。為了推動我國綠色化學的發展，2005年，北京大學成立了綠色化學研究中心，寇元任研究中心主任，承擔國家自然科學基金重點項目、“973”項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展，美國化學會會刊《化學與工程新聞》作了報道。與此同時，他的一位博士生很有信心地提出，他們的相關研究已有了基礎，可以開始應用于費托合成的探索了。這給了課題組新的啟發，“積累了好多年，突然就覺得離成功不遠了”。結果證明，這一思路是對的。從2005年開始轉入這一研究，不過兩年時間，課題組就作出了一系列成果。

    寇元認為，這一研究成果提出了全新的思路，給未來費托合成的工業開發提出了新的方向，這就是要實現低溫、水相。另一方面，能源研究涉及國家戰略和國家安全，中國科學家應該加倍努力，發展自己的專有技術，為國家解憂。

    費托合成是將來必然要替代石油的重大工業過程。一項新技術一旦大規模產業化，完全可能取代現有的整個工業費托合成體系。當前國內的費托釕催化劑合成還未形成大的規模，還處于試驗投產階段，如果采用新的體系，則意味著新的投資、新的研發，資金和人力的投入十分巨大。此外，釕催化劑用于工業規模顯得過于昂貴，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：科學時報