CO的轉化是當前C1化學工業的核心過程，在過去的幾十年中，大量的研究工作緻力于将合成氣（即CO和H2的混合物）高選擇性的轉化為指定産品。其中，通過費托合成反應（FTS）将來源于天然氣、煤和生物質的合成氣-CO/H2制備油品，是目前為止被認為最有可能代替石油化工過程的途徑。基于費托合成的煤制油（CTL）和天然氣制油（GTL）過程已經實現了工業化，但為了得到2:1的合成氣比例（H2/CO）需要經過複雜的多步分離過程，造成了十分昂貴的運作成本。實際上，在工業生産中存在大量高濃度CO廢氣，且其産生的過程中并不會伴随多少氫氣的生成，比如煉鋼廠的轉爐尾氣中70%都是CO，其中隻含有不到5%的氫氣。大部分情況下，CO廢氣都是通過燃燒排放或直接排入空氣中。發展直接将高濃度CO廢氣轉化為油品可以變廢為寶，具有重大工業應用價值。

要實現這個過程，必須有足夠的H2來源提供給CO進而轉化。H2O是自然界中最豐富也是最便宜的H載體，通過水汽遷移反應（WGS）可以從H2O中取出氫氣，如果能取出足夠多的氫氣，是否就能與CO發生費托合成反應進而生成油品呢？然而，要真正實現兩個反應的耦合不僅要保證兩個反應在熱力學上匹配，更重要的是實現動力學上的匹配。例如，如果WGS反應速率太高，CO就會被很快的大量消耗，在後續的費托合成反應中CO發生C-C偶聯和鍊增長形成高碳産物的趨勢就會被削弱。相反，如果WGS反應速率太低，又不能産生足夠的H2來供後續的費托合成反應。因此，兩個反應的動力學耦合是實現該過程的關鍵。

馬丁課題組首次實現将水汽遷移反應與費托合成反應成功耦合，構建了水汽遷移反應活性中心Pt-Mo2C/C和費托合成反應活性中心Ru/C。将兩種催化劑進行簡單的物理混合，通過調節兩種活性中心的結構和比例調控各自的反應速率。實現了在低溫200oC的條件下，将CO和水一步直接轉化制備油品的過程。該過程中費托反應的活性高達8.7 mol-CH2- molRu-1 h-1，與在合成氣（H2/CO=2）條件下Ru/C催化劑的費托活性相當，且費托産物中C5+油相産物的選擇性接近70%。對比雙金屬催化劑RuPt-Mo2C/C和物理混合催化劑的結果，發現兩種活性金屬Pt和Ru的結合形式在催化反應中起了十分重要的影響。當Pt和Ru形成PtRu合金後會同時削弱WGS和FTS兩個反應的的活性，進而打破兩個反應之間的動力學平衡。而當兩種活性中心分别作用的時候則剛好使兩個反應的動力學速率達到平衡，實現最優的CO和水轉化制備油品的活性和選擇性。該研究成果以“Direct conversion of CO and H2O into liquid fuels under mild conditions”為題發表于Nature Communication（https://www.nature.com/articles/s41467-019-09396-3）。并被Nature Communication Editor選為“Highlights webpage of recent research on Inorganic, Nanoscale and Physical Chemistry” ( https://www.nature.com/collections/wtpqpqpgwd/content/long-chen).

表一. 不同催化劑在CO和合成氣氣氛下的催化性能

該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、中國科學院等的資助，在研究過程中得到上海光源的大力幫助及中科合成油技術有限公司的資助。beat365馬丁教授和複旦大學曹勇教授、天津工業大學尹振教授為該工作的共同通訊作者，第一作者為beat365徐堯博士和李晶博士。