費托合成反應（FTS，Fischer-Tropsch synthesis）是一種將合成氣（一氧化碳和氫氣）轉化為烴類產物的技術，該技術對於缺乏石油資源的地區來說非常重要。然而，工業上廣泛使用的鐵催化劑，在反應過程中會產生大量的二氧化碳副產物（通常選擇性高達 18-35%），這不僅降低了碳的利用效率，也增加了溫室氣體排放。目前的解法，例如在鐵催化劑表面塗覆疏水性二氧化矽或石墨烯層，雖然這麼做可以將二氧化碳選擇性降至 13% 以下，但仍無法達到高烯烴產率和極低的二氧化碳排放。除此之外，鐵催化劑在費托合成反應中通常會促進水煤氣轉化反應（WGS，water- gas shift）和Boudouard reaction，2CO → C + CO₂，這兩個反應是產生二氧化碳的主要來源。更棘手的是，烯烴產物容易被氫化成較低價值的烷烴，導致烯烴/烷烴比（o/p ratio）偏低。因此，開發一種能夠同時實現超低二氧化碳選擇性、高烯烴產率，以及長期穩定的催化系統，成為當前亟待解決的科學挑戰。

近日，中國北京大學、中國科學院山西煤炭化學研究所等多個研究機構組成的團隊，成功開發出一種在合成氣中添加 ppm 級別鹵代甲烷的策略，能夠大幅改變鐵催化劑的催化行為。研究人員發現，當在合成氣中添加 20 ppm 的溴甲烷（CH₃Br）時，χ-Fe₅C₂ 催化劑的二氧化碳選擇性從 31.4% 驟降至小於 1%，同時烯烴/烷烴比從 1.3 大幅提升至 13。在最佳條件下，該策略實現了 1.08 g·gcat⁻¹·hour⁻¹ 的產率（烯烴），以及85.2% 烯烴選擇性（相對於所有含碳產物）。研究團隊透過瞬態動力學分析和密度泛函理論計算揭露了其作用機制：溴物種調控了催化劑的表面結構，選擇性地抑制了Boudouard reaction和水煤氣轉化反應中的關鍵步驟，從而阻斷二氧化碳的生成。具體來說，溴物種抑制了水分子在氧化鐵表面的解離，阻斷了水煤氣轉化反應；同時，溴也抑制了 CO*-O* 重組步驟，從而阻斷了Boudouard reaction。除此之外，溴物種還抑制了烯烴的氫化反應，使烯烴選擇性大幅提升。穩定性測試顯示，該催化劑在 450 小時的連續運行中保持了優異性能，二氧化碳選擇性始終低於 1.5%。研究人員表示，這項研究為實現高效、低碳排放的合成氣轉化提供了一條簡單、可擴展的路線。