作为化工领域的关键性技术，催化剂技术被称作现代化学工业的“芯片”。自1923年费托合成技术（间接液化煤制油技术）发明以来，全球化工业界有个固有的看法，100%纯度的纯相碳化铁不可能作为催化剂稳定存在。然而，2024年10月16日，由国家能源集团低碳院高级工程师王鹏《基于纯相χ-Fe5C2催化剂的高碳效率合成气直接制线性α-烯烃技术》的新型催化技术研究成果在《自然》期刊发表，让这个持续百年的偏见被彻底推翻。
“纯相碳化铁催化剂体系”新理论，填补了国际技术空白，对我国突破技术瓶颈，自主掌握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，进一步彰显并提升了集团公司在相关领域的科技影响力。
一位名不见经传的青年科研人员，为何能突破化工业界持续百年的桎梏，以一项里程碑式的科技创新开启线性α-烯烃工业化新纪元？答案在低碳院实验室里无数个深夜亮起的长灯里，答案在王鹏那执着而坚定的眼神中，答案在那十余年坚持不懈的耕耘和探索中，那倾洒在创新路上的每一滴心血和汗水，都是对这个问题最为精准的诠释！
勇扛重担 不惧挑战
2005年，北大化学系毕业的王鹏，开始在集团从事煤间接液化催化剂研究。这个身材高瘦、性格朴实的小伙子，很快以扎实严谨的态度获得单位和同事们的认可。2014年，王鹏作为核心研发人员研发的国产第一代费托合成催化剂投入使用，为宁夏煤业400万吨/年煤炭间接液化示范项目成功投产作出了重要贡献。在催化剂研发过程中，王鹏深刻感受到科技研发和自主创新对国家和企业的重要意义。他暗下决心，一定要在高端煤化工技术研发中作出一番事业，推动我国煤炭清洁高效利用和绿色低碳转型。
催化剂被誉为化学工业的“芯片”，化学工业的发展很大程度依赖催化剂的发展。在王鹏看来，催化剂就是开启高端化工产业发展之路的“金钥匙”，唯有实现催化剂研究的重大突破，才能从根本上提高集团煤制油、煤化工产业整体技术水平。自2015年伊始，王鹏作为低碳院煤间接液化技术研究中心青年科学家、团队技术带头人，以降低碳排放、提高稳定性和反应效率为方向，毅然开启了国产第二代费托合成催化剂的研发。
低碳院联合宁夏煤业研发的铁基费托合成催化剂
煤基合成气转化，主要采用价格低廉的铁基催化剂，但存在二氧化碳选择性高、碳利用效率低、活性低的问题。在第二代费托合成催化剂研发之初，王鹏的思路并没有被传统观念所束缚，而是对铁基催化剂催化活性产生的本质——活性相与活性位问题进行深入思考。他在查阅大量文献的基础上结合多种先进原位表征技术，对铁基催化剂的活性相和活性位问题进行反复实验，发现铁基催化剂CO2选择性高、碳利用效率低等问题的本质并非源自铁基催化剂自身，而是催化剂还原碳化过程中生成了其他物相导致了副反应的发生。基于此点发现，王鹏开创性地提出了以纯相碳化铁为催化剂活性相的原创思路，这样既能够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。
从科学原理到实践应用，难以避免地要经历反复漫长的探索过程，也必然会面临难以想象的风险与挑战。对于纯相碳化铁，人类并没有原理性地掌握，也无法科学描述其具体反应性能，如何让它从想象变为现实？王鹏选择了最困难也是最有效的“笨办法”，他从构成铁基催化剂的23种物相中归纳出128个最有代表性的配方，再经过大量的试错性实验逐一排除干扰相。
王鹏和团队在实验室开展催化剂开发
课题研发初期人员严重不足，王鹏主动将科研任务挑于一身。他身兼多职，从最初的实验构想到样品制备，再到实验数据的分析与验证都亲力亲为。每次实验要持续12个小时，经常在实验里忙到半夜，第二天一早又要对实验数据进行总结分析。从2015年5月到2017年5月，经历了两年艰苦、漫长且枯燥的实验过程，他从128个催化剂配方中筛选出二氧化碳选择性低的5个配方，将二氧化碳产生降低至15%。但在进一步的归纳优化中，王鹏发现，进一步降低已很难实现，项目无可避免地进入瓶颈期。尤为令人沮丧的是，在当时荷兰一权威研究组发表的一篇理论文章中，预测ε-碳化铁稳定温度为250摄氏度以下，远低于催化剂实际应用温度260-280摄氏度，这令团队人员陷入了困惑和彷徨，难道两年来的努力会是一场无用功？
不懈探索 开放合作
关键时刻，作为研发带头人的王鹏没有动摇。他查阅分析了过往几十年的大量文献，发现在以往进行的实验和研究中，都认为ε-碳化铁含量越高，二氧化碳产生越低，这证明团队的研究方向没有问题，只要以“功成不必在我”的心态坚持探索，就一定会有收获的一天。
2017年6月，就在王鹏带领团队成员苦苦探索之际，和团队保持长期战略合作的荷兰高校教授发来邮件，告诉他一个好消息。在通过原位穆斯堡尔谱对王鹏送来的样本进行分析时，发现了一种前所未见的特殊穆斯堡尔谱谱线，这极有可能是产生了疑似纯相碳化铁的新物相，这让王鹏和团队成员大为振奋。在随后的实验和论证中，王鹏发现之前那篇国外文献在路线和判断上没有大错误，只是因为理论推导过程中温度偏差了50度，ε-碳化铁完全可在费托装置中作为催化剂实际应用，王鹏亲手开辟的道路没有错！
2018年6月，王鹏在位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射光源中心开展纯相碳化铁原位同步辐射测试实验。为了获取纯相碳化铁的配位结构演变信息，王鹏与国际合作实验室团队连续熬夜倒班10个昼夜，在实验关键阶段，王鹏持续坚守岗位，得到了宝贵的纯相碳化铁配位信息，为最终实现纯相碳化铁合成铺平了道路。2018年10月，这项研究成果在《科学》子刊上发表，课题的研究自此步入快车道。
欧洲同步辐射中心的纯相碳化铁原位同步辐射测试实验装置
纯相碳化铁催化剂高度活泼，无法在空气中稳定存在，因此对其进行表征研究需要使用各种高级原位表征仪器，低碳院缺少原位穆斯堡尔谱、环境电镜等必需的原位仪器，导致很多实验无法进行。
面对这一困难，王鹏带领团队积极“走出去”，先后与北京大学、上海交通大学、北京科技大学、荷兰埃因霍芬理工大学建立了合作关系。在与北京科技大学联合测试样品时，王鹏和团队成员们仿佛钉在了科研现场，经常在学校实验室里一待就是15个小时，做完实验后又迅速返回低碳院整理分析数据，以最快速度获得真实准确的实验结果。这种繁忙艰苦的研究，王鹏坚持了近一年，在一个个寂静幽暗的深夜，他身着工装、佩戴党员徽章，在实验设备前埋首苦干，完全不顾本就单薄的身体日渐消瘦。
功夫不负有心人，2019年6月，王鹏和团队与北京科技大学合作使用环境电镜，在世界上首次原位捕捉到“纯相χ-碳化铁”的生成全过程。经历了无数次尝试与挫折，付出了数不尽的心血和汗水，一项重大科研创新，在国能人的孕育下已含苞待放。
实践应用 深度创新
线性α-烯烃（linear α-olefins，简称LAO）作为是现代化学工业的核心原料和重要中间体，全球消费量逐年递增，具有广阔的市场，需求巨大。受制于传统的乙烯齐聚合成技术，我国的线性α-烯烃需要依赖大量进口，严重限制了我国高端化工产业发展。王鹏和团队提出的纯相碳化铁费托合成催化新理论，不仅推动了煤间接液化产业的低碳绿色发展，更是开辟了煤炭—合成气—线性α-烯烃新路径，实现线性α-烯烃成套技术的落地示范和商业化推广，不仅生产成本低于以石油为原料的乙烯齐聚合成技术，而且产品更加多样性，有力地推动我国煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展。
王鹏查看试验装置运行情况
“当前，集团党组深入推进‘1331’科技创新战略，为我们科研人员搭建了干事创业的广阔舞台。我们要珍惜平台、感恩奋进，大力弘扬新时代科学家精神，以‘十年磨一剑’的韧劲和‘一辈子办成一件事’的执着，持续深耕合成气转化直接制线性α-烯烃技术的工业化应用之路，为集团公司建设科技领军企业不懈奋斗”，谈起十年来的探索实践，王鹏深有感触地说到。成功提出纯相碳化铁费托合成催化新理论后，他带领团队对接集团煤化工产业应用场景，全力开展科研攻关，推动技术更新迭代和落地示范，为线性α-烯烃的大规模工业连续生产铺平了道路。截至目前，团队基于“纯相碳化铁催化剂体系”，共申请发明专利101件，其中国际专利34项；出版英文专著2部，其中独著1部；发表SCI收录文章30余篇，取得了累累硕果。
2022年，由低碳院牵头，联合国家能源集团包头煤化工、宁夏煤业，北京大学，中国科学院过程所等10家研发单位，成功申请了“十四五”国家重点研发计划“低CO2选择性合成气直接转化制长链α-烯烃成套技术”。该研发项目以低碳院原创“纯相碳化铁催化剂体系”为核心，采用高效浆态床反应器，与线性α-烯烃的高效分离与产物综合利用技术相结合，形成合成气直接制线性α-烯烃成套技术，计划于2026年底在包头煤化工完成万吨级工业示范，2027年在集团乃至全国煤化工行业推广应用，彻底改变我国在线性α-烯烃生产中受制于人的不利局面，支撑煤炭清洁高效利用，促进我国能源结构转型升级。
王鹏所在的煤间接液化技术研究中心荣获集团内外部多项荣誉
从提出设想到规划路线，从实验论证到实践应用，王鹏以“十年磨一剑”的坚韧和执着，一步一个脚印，让梦想照进现实，将一项源头创新的科研成果转化为引领行业发展的新质生产力。成功的秘诀是什么？科研工作者要有怎样的态度和精神？若是问起王鹏这个问题，他是如此解答的，“开展科研工作要遵循低碳院“五问”，那就是服务的国家战略是什么，聚焦的核心技术是什么，对标的一流目标是什么，推广的应用场景是什么，培育的新兴产业是什么。既要尊重科学规律，也要敢于创新；要充分发扬求实精神，紧跟国家重大战略、瞄准市场需要开展科技创新”。谈起这些年走过的艰辛历程，王鹏更是深有感触，“成功不可能一蹴而就的，需要在长期的积累探索中实现突破。我们要有甘做奠基人、甘当探路者的觉悟，功成不必在我。”
