費托合成

費托合成是將一氧化碳和氫氣（稱為合成氣）的混合物轉化為液態碳氫化合物的一系列化學反應。 這些反應在金屬催化劑存在下發生，通常在 150–300°C（302–572°F）的溫度和一到幾十個大氣壓的壓力下發生。

作為 C1 化學的主要例子，費托合成是煤液化和氣液化技術生產液態烴的重要反應。 在通常的實施中，FT 的原料一氧化碳和氫氣是在稱為氣化的過程中從煤、天然氣或生物質中生產的。 然后，該過程將這些氣體轉化為合成潤滑油和合成燃料。 作為低硫柴油燃料的來源以及解決石油衍生碳氫化合物的供應或成本問題，這一過程受到間歇性關注。 作為一種從大氣中的二氧化碳和氫氣中生產碳中性液態烴燃料的方法，它現在重新受到廣泛關注。

費托合成涉及一系列產生各種碳氫化合物的化學反應，理想情況下具有分子式 (CnH2n+2)。 更有用的反應產生烷烴如下：

(2n + 1) H2 + n CO → CnH2n+2 + n H2O

其中 n 通常為 10–20。 甲烷 (n = 1) 的形成是不需要的。 大多數生產的烷烴往往是直鏈的，適合用作柴油燃料。 除了形成烷烴外，競爭反應還會產生少量烯烴，以及醇類和其他含氧烴。

由于結合的標準反應焓 (ΔH) 為 -165kJ/mol CO，該反應是一個高度放熱的反應。

將 H2 和 CO 的混合物轉化為脂肪族產品是一個包含多種中間化合物的多步反應。 碳氫化合物鏈的增長可視化為涉及一個重復的序列，其中氫原子被添加到碳和氧中，C-O 鍵分裂并形成一個新的 C-C 鍵。

CO 轉化為烷烴涉及 CO 的氫化、C-O 鍵的氫解（用 H2 裂解）和 C-C 鍵的形成。 假定此類反應通過初始形成表面結合的金屬羰基化合物來進行。 推測 CO 配體會發生離解，可能分解為氧化物和碳化物配體。 其他潛在的中間體是各種 C1 片段，包括甲酰基 (CHO)、羥基卡賓 (HCOH)、羥甲基 (CH2OH)、甲基 (CH3)、亞甲基 (CH2)、亞甲基 (CH) 和羥基亞甲基 (COH)。 此外，對于液體燃料的生產至關重要的是形成 C-C 鍵的反應，例如遷移插入。 許多相關的化學計量反應已經在離散的金屬團簇上進行了模擬，但均相費-托催化劑開發不足且沒有商業重要性。

將同位素標記的醇添加到進料流中會導致將醇摻入產品中。 這一觀察建立了 C-O 鍵斷裂的機制。 在鈷催化劑上使用 14C 標記的乙烯和丙烯導致這些烯烴并入生長鏈中。 因此，鏈增長反應似乎涉及“烯烴插入”和“CO 插入”。

與煤或相關固體原料（碳源）相關的費托工廠必須首先將固體燃料轉化為氣態反應物，即 CO、H2 和烷烴。 這種轉化稱為氣化，生成的產物稱為合成氣（syngas）。 從煤氣化中獲得的合成氣的 H2:CO 比率往往約為 0.7，而理想比率約為 2。

該比例通過水煤氣變換反應進行調節。 基于煤的 FT 工廠產生不同數量的 CO2，這取決于氣化過程的能源。 然而，大多數以煤為基礎的工廠依靠原料煤來滿足該過程的所有能源需求。

用于 FT 催化的一氧化碳來源于碳氫化合物。 在氣液化 (GTL) 技術中，碳氫化合物是低分子量材料，通常會被丟棄或燃燒。 擱淺的天然氣提供相對便宜的天然氣。