在全球范围内，乙烯的产量高于任何其他基础化学品。这种由两个碳原子和四个氢原子构成的小分子，是生产多种基础化学品、聚合物和增塑剂的基本构件。包装材料聚乙烯（PE）只是众多常见应用之一。目前，乙烯主要通过一种称为裂解的工艺由原油生产，但原油价格持续波动以及原油供应有限，促使人们寻求另一种生产路径：即在所谓的甲醇制烯烃（MTO）工艺中由甲醇合成乙烯。现在，苏黎世联邦理工学院与ENS Lyon的一个科研团队已详细阐明了该反应的起始过程。
化学家在20世纪70年代末开发了MTO工艺，如今全球各地都已建有生产装置。中国拥有的MTO装置数量居世界各国之首：目前有五座大型装置在运行，另有十三座正在规划中。原因很简单：中国对石化产品需求巨大，而石油资源获取有限。中国的优势在于拥有丰富的煤炭储量，而通过煤气化可以相当容易地生产甲醇。此外，甲醇还可以由天然气制得。因此，中国投资者正计划在美国生产甲醇并出口至中国，以利用美国丰富的页岩气资源。
碳正离子从何而来？
要使MTO反应发生，甲醇需要在400摄氏度下与所谓的沸石接触。这些沸石是多孔的颗粒状铝硅酸盐矿物，可作为催化剂促进反应。长期以来，化学家们一直无法准确解释MTO反应。20年前，科学家们推测还有其他分子参与其中：带正电荷的环状烃分子，其中五到六个碳原子相互键合，也称为环状碳正离子。这类物质确实会与甲醇发生反应：它们将两个甲醇分子连接在一起并形成碳-碳键，随后生成乙烯。
然而，如果这些环状碳正离子参与其中且是反应启动所必需的，那么问题在于它们从何而来？许多科学家提出，这些离子必定是甲醇中偶然混入的杂质。
“我们已经表明，沸石中始终存在的氧化铝能够轻易地将甲醇转化为乙烯和其他烃类，这些烃类随后可在沸石催化剂的孔道内转化为碳正离子，”苏黎世联邦理工学院表面与界面化学教授、本研究作者之一Christophe Copéret解释道。“虽然MTO工艺已在工业规模上投入运行，但这项工作为该工艺的起始方式带来了新的认识。它还表明，像氧化铝这样简单的氧化物材料能够引发甲醇衍生物之间的碳-碳键形成，从而为将甲醇升级为长链烃开辟新途径。”
本文与 苏黎世联邦理工学院合作发表。刊发本文并不意味着世界经济论坛认同文中观点。
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作者：Fabio Bergamin，为苏黎世联邦理工学院撰稿。
图片：位于德黑兰西南方900公里（560英里）的Asalouyeh Seaport，甲醇合资项目现场全景。REUTERS/Raheb Homavandi
