综述：费托合成百年演进：进展与里程碑

这篇综述系统回顾了费托合成（Fischer-Tropsch Synthesis, FTS）技术百年发展历程，聚焦催化剂设计（Co/Fe基体系、双功能催化剂）、反应器创新（固定床/流化床/微通道反应器）及可持续原料转型（生物质/CO2制航空燃料SAF），为碳中和技术发展提供关键见解。

　　

费托合成的百年演进与技术突破

引言

费托合成（FTS）作为将合成气（CO/H₂）转化为碳氢化合物的核心技术，自1923年由德国科学家Fischer和Tropsch发明以来，经历了四个发展阶段：早期开发（1920–1945）、战后扩张（1945–1970）、成熟多样化（1970–2000）和现代可持续发展（2000–2024）。其核心价值在于能将煤、天然气、生物质甚至CO₂转化为清洁燃料和化学品，尤其在可持续航空燃料（SAF）生产中展现巨大潜力。

催化剂：从单金属到双功能系统

钴基催化剂在低温FTS（LTFT, 180–260°C）中表现卓越，选择性生成长链烷烃（C₅₊），但需贵金属（Ru、Pt）促进还原。研究发现，钴粒径>10 nm时甲烷选择性显著降低（图8），而SiO₂/Al₂O₃载体可优化金属分散度。

铁基催化剂的优势在于适应低H₂/CO比原料，并通过水煤气变换反应（WGS）补充氢源。其活性相争议较大，χ-Fe₅C₂和ε-Fe₂C均被证实参与反应（图10）。添加K-Cu促进剂可提升还原速率，而Mn-Zn调控产物烯/烷比。

双功能催化剂通过整合FTS金属（Co/Fe）与酸性沸石（如ZSM-5），实现烃类原位加氢裂解。例如Co/meso-ZSM-5使汽油馏分（C_5–11）选择性达70%，异构/正构比提升至2.3（图14）。

反应机制与选择性控制

FTS遵循Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布规律，但实际产物常偏离理想曲线。三种主流机理——碳化物机理、CO插入机理和羟基卡宾机理中，碳化物机理获得最多实验支持，认为CH_x单体通过逐步聚合形成碳链。次级反应（如烯烃再吸附）会导致甲烷异常偏高，而沸石孔道限制可抑制长链蜡质生成。

反应器技术：从工业规模到模块化

固定床反应器结构简单但易形成热点，浆态床反应器（SBCR）传热效率高却面临催化剂分离难题。微通道反应器（如Velocys设计）凭借毫米级流道实现80%单程转化率，特别适合分布式SAF生产。INERATEC的1 MW级Power-to-Liquid（PtL）装置已展示商业化前景。

可持续路径：从CO₂到航空燃料

利用可再生电力电解水制氢，结合CO₂逆水煤气变换（RWGS）生成合成气，再经FTS转化为e-燃料，构成碳中性循环。铁基催化剂因兼具RWGS/FTS活性成为首选，而双功能Co/沸石催化剂可直接产出喷气燃料范围（C_8–16）烃类。尽管当前e-燃料成本是化石燃料的2–6倍（图17），政策支持与技术创新正推动其成为航空业脱碳关键方案。

挑战与展望

催化剂失活（烧结、积碳）、产物选择性调控、反应热管理仍是主要技术瓶颈。未来需通过operando表征解析活性位点本质，开发抗烧结纳米催化剂，并优化反应器-可再生能源耦合系统。政策层面，碳定价与绿氢补贴将加速FTS在SAF领域的应用，助力2050年航空业净零排放目标。