费托合成

费托合成是将一氧化碳和氢气（称为合成气）的混合物转化为液态碳氢化合物的一系列化学反应。 这些反应在金属催化剂存在下发生，通常在 150–300°C（302–572°F）的温度和一到几十个大气压的压力下发生。

作为 C1 化学的主要例子，费托合成是煤液化和气液化技术生产液态烃的重要反应。 在通常的实施中，FT 的原料一氧化碳和氢气是在称为气化的过程中从煤、天然气或生物质中生产的。 然后，该过程将这些气体转化为合成润滑油和合成燃料。 作为低硫柴油燃料的来源以及解决石油衍生碳氢化合物的供应或成本问题，这一过程受到间歇性关注。 作为一种从大气中的二氧化碳和氢气中生产碳中性液态烃燃料的方法，它现在重新受到广泛关注。

费托合成涉及一系列产生各种碳氢化合物的化学反应，理想情况下具有分子式 (CnH2n+2)。 更有用的反应产生烷烃如下：

(2n + 1) H2 + n CO → CnH2n+2 + n H2O

其中 n 通常为 10–20。 甲烷 (n = 1) 的形成是不需要的。 大多数生产的烷烃往往是直链的，适合用作柴油燃料。 除了形成烷烃外，竞争反应还会产生少量烯烃，以及醇类和其他含氧烃。

由于结合的标准反应焓 (ΔH) 为 -165kJ/mol CO，该反应是一个高度放热的反应。

将 H2 和 CO 的混合物转化为脂肪族产品是一个包含多种中间化合物的多步反应。 碳氢化合物链的增长可视化为涉及一个重复的序列，其中氢原子被添加到碳和氧中，C-O 键分裂并形成一个新的 C-C 键。

CO 转化为烷烃涉及 CO 的氢化、C-O 键的氢解（用 H2 裂解）和 C-C 键的形成。 假定此类反应通过初始形成表面结合的金属羰基化合物来进行。 推测 CO 配体会发生离解，可能分解为氧化物和碳化物配体。 其他潜在的中间体是各种 C1 片段，包括甲酰基 (CHO)、羟基卡宾 (HCOH)、羟甲基 (CH2OH)、甲基 (CH3)、亚甲基 (CH2)、亚甲基 (CH) 和羟基亚甲基 (COH)。 此外，对于液体燃料的生产至关重要的是形成 C-C 键的反应，例如迁移插入。 许多相关的化学计量反应已经在离散的金属团簇上进行了模拟，但均相费-托催化剂开发不足且没有商业重要性。

将同位素标记的醇添加到进料流中会导致将醇掺入产品中。 这一观察建立了 C-O 键断裂的机制。 在钴催化剂上使用 14C 标记的乙烯和丙烯导致这些烯烃并入生长链中。 因此，链增长反应似乎涉及“烯烃插入”和“CO 插入”。

与煤或相关固体原料（碳源）相关的费托工厂必须首先将固体燃料转化为气态反应物，即 CO、H2 和烷烃。 这种转化称为气化，生成的产物称为合成气（syngas）。 从煤气化中获得的合成气的 H2:CO 比率往往约为 0.7，而理想比率约为 2。

该比例通过水煤气变换反应进行调节。 基于煤的 FT 工厂产生不同数量的 CO2，这取决于气化过程的能源。 然而，大多数以煤为基础的工厂依靠原料煤来满足该过程的所有能源需求。

用于 FT 催化的一氧化碳来源于碳氢化合物。 在气液化 (GTL) 技术中，碳氢化合物是低分子量材料，通常会被丢弃或燃烧。 搁浅的天然气提供相对便宜的天然气。