原始创新从哪里来：再谈化学中费托合成方法的发现

马腾，王亚琴,2,＊

1沈阳农业大学理学院，沈阳 110866

2沈阳理工大学环境与化学工程学院，沈阳 110159

研究生是中国科研事业重要的新生力量，其创新创造能力正处于人生的黄金时期，在一定程度上能体现出我国原始创新能力的水平。而研究生原始创新能力的培养，是高校教师的核心任务之一，也是国家从根本上解决发展瓶颈问题的有效途径[1]。我国的原始创新理念是在20世纪90年代后期根据基础研究的不足之处提出来的，经过多年的发展，现在的认识水平和研究深度已有显著的进步[2,3]。但是原始创新的论述仍较多地分布在理论研究和制度管理方面，缺乏对创新主体及实例全面且深入的探讨和分析，因此对创新主体，特别是青年研究生这一群体的启发效果并不是很明显。作者以个人教学和科研实践的认知为出发点，在研究生课程中采取“一事一议”的方式讲授原始创新案例，力求突出创新主体以及案例的启发性。本文选取了研究生教学中的一个创新案例，即费托合成研发的背景、过程和兴衰历史，进行详细地阐述和探讨，希望它能对研究生培养单位的学生、指导教师和管理人员有所启发，从而有助于研究生或者青年科学家更好地发挥其原始创新能力。

1 煤炭研究所的成立

20世纪初的德国在欧洲大陆属于后起之秀，经济发展迅速，却面临一些瓶颈问题的制约，同时因内外利益冲突与周边国家(如英国)存在一些摩擦。这些情况引起德国一些有识之士的担忧和思考，其中包括从事宗教史研究的哈纳克教授(Adolf von Harnack)。哈纳克虽然在宗教思想方面颇为虔诚、保守，但对新的科学思想深信不疑，并希望以此改变德国快速扩张带来的不利局面。1911年哈纳克说服德国皇帝威廉二世(Kaiser Wilhelm II)成立一家非政府科研机构——威廉皇帝学会(Kaiser Wilhelm Society，马克斯·普朗克学会的前身)，有选择地支持一些优秀科学家从事原创性的基础研究工作。威廉皇帝虽然同意新成立的学会和它下属的研究所以他的名字命名，但是只愿意提供一小部分的经费。哈纳克和政府官员、科学家们通过借鉴美国的经验，积极地同工商业巨头们联系，找到了一种可行的解决方案。威廉皇帝学会下属的各研究所将由工商业财团和帝国财政共同资助，仍秉承大学传统的“学术自由”从事基础研究，研究工作和人员的具体安排由所长根据情况自行判断。事实上研究所的建设和运行费用大部分由工商业财团资助，因其数额远超当时多数大学的资助强度，对科学家来说具有不错的吸引力，享受自由的同时也不用承担繁重的教学任务。关于研究所的设立选址、所长人选等一些关键事项采用政府、工商业财团和协会多方共同协商的方式，因此获得一些工商业巨头的认可和支持。哈纳克还充分借助他的社会影响力，结合德国不断高涨的“爱国主义”运动，顺利将慷慨资助基础研究的行为提升到维护国家长远利益的新高度，从而使之成为当时社会的一股潮流。

威廉皇帝学会于1912–1913年间在柏林市的达勒姆区(Dahlem)相继建成化学研究所、物理化学与电化学研究所。煤炭研究所是威廉皇帝学会的第三个研究所，它于1914年在米尔海姆市(Muelheim an der Ruhr)建成，也是第一个不在首都柏林的研究所。米尔海姆市坐落在鲁尔河畔，其周边的鲁尔地区具有丰富的煤炭资源，在此成立研究所得到煤炭产业巨头施廷内斯(Hugo Stinnes)的支持。与前两个研究所相比，煤炭研究所的落成典礼显然冷清得多，皇帝本人并没有参加；数天之后第一次世界大战爆发，工作人员大半应征入伍，这让新上任的所长费舍尔(Franz Fischer)大伤脑筋。费舍尔1877年出生于弗莱堡(Freiburg)，1899年在吉森(Gießen)获得博士学位(导师为Karl Elbs)，1911年任柏林工业大学(Technische Hochschule Berlin)化学教授[4]。费舍尔克服种种困难后，开始对煤的成分分析、形成机理、有效转化与利用等一系列基础与应用问题进行细致的研究。

2 煤制油与费托合成

石油主要成分也是碳、氢元素，与煤的差别主要是有机物含量高且分子量小、氢元素多。因此，煤制油的策略主要是降解有机物分子同时进行加氢，工业常用的方法最早由德国的科学家发现和应用，按时间先后可分为柏吉斯法和费托合成法两种技术路线，费托合成属于后来居上者。

2.1 柏吉斯法(直接液化)

柏吉斯直接液化法是在高温、高压与氢气作用的条件下，使煤的有机物大分子裂解成为液态燃料，它是德国化学家柏吉斯(Friedrich Bergius)在1913年发现的。煤的直接液化最早可追溯到1869年法国科学家贝特洛(Marcelin Berthelot)的实验，虽然能获得一定量的烃类液态燃料，但不具有工业价值。柏吉斯于1908年和1909年在能斯特和哈伯的实验室学习时，对合成氨研究采用的高压反应技术产生兴趣，随后在工作中对其不断改进并用于一系列的反应，其中煤的直接液化实验最受关注。然而柏吉斯法工业化的过程一直不太顺利，后来只得在1925年授权给BASF公司(法本集团公司成员)，由比尔(Matthias Pier)负责后续的开发。BASF公司于1927年在洛伊纳(Leuna)建成第一座试验工厂，历时5年投资了约4.26亿德国马克才完成工艺优化，同时将产量提高到100000吨/年，所以后来也称柏吉斯法为柏吉斯-比尔法(Bergius-Pier Process)[5]。柏吉斯在1932年因他的高压反应技术获得了诺贝尔化学奖(与博施(Karl Bosch)一起)。

2.2 费托合成法(间接液化)

间接液化法是先由煤制取合成气(一氧化碳和氢气的混合气体)，然后在催化剂的作用下生成液态燃料，它是由费舍尔和他的助手托普施(Hans Tropsch)在1925年发现的。托普施出生于1889年，1913年在布拉格的德意志工业学院(German Technical Institute in Prague)获得博士学位(导师为Hans Meyer)，之后到米尔海姆染料工厂的实验室工作。托普施于1917–1920年在吕特格公司(Ruetgerswerk AG)从事煤焦油蒸馏制取液体燃料的工作，一度升任为部门负责人[6]。1920年托普施回到米尔海姆与费舍尔合作，在煤炭研究所成立研究组，继续从事煤的焦化、气化、褐煤蜡皂化以及煤的形成理论等多项研究工作。作为煤制油首个有望工业化的方法，柏吉斯法的停滞不前引起费舍尔和托普施的关注，到底是什么原因造成的呢？

柏吉斯法的高压技术特色使它的技术难度和成本增加，另外氢气获取的经济性也影响了它的工业化过程。在工业上，氢气通常是先由煤或焦炭与水蒸气反应制得合成气，然后进行分离得到纯氢，这个过程能耗成本较高。柏吉斯法的不足让托普施和费舍尔继续探索其他的可能性，即由煤制取合成气后能否不再分离，而是借助固体催化剂使一氧化碳还原并进行碳链增长，从而合成为烃类液态燃料[7]。

合成气生成化合物的催化反应最早可追溯到1902年由法国的萨巴捷(Paul Sabatier)和塞德伦斯(Jean Baptiste Senderens)完成的甲烷合成实验。1913–1914年间，BASF公司的米塔施(Alwin Mittasch)和施耐德(Christian Schneider)申请高压下由合成气制取烃类化合物的三项相关专利，但没有进行工业化。托普施和费舍尔从1921年左右开始对BASF的专利内容进行验证，但高压实验很不顺利且产物也不相同：他们没有得到烃类化合物，而是多种醇、醚和酮组成的混合物(synthol)，作为燃料供内燃机使用时性能表现不佳[8]。托普施在鉴定产物组分时显示出他的专业特长，仅采用萃取、蒸馏等一些传统方法就将各个组分的基本性质研究的很清楚，令人叹为观止[9]。

可能由于托普施在催化剂方面的经验不足，他多次改进催化剂的配方但是进展并不明显，似乎一切陷入了僵局。直到1925年初，托普施在尝试法国科学家帕塔尔(Georges Patart)合成气制甲醇专利中的催化剂配方时，获得和专利内容基本一致的产物。由于当时费舍尔仍在美国访问未归，托普施安排实验时比较自主，其中他的学生罗伦(Otto Roelen)负责催化剂的制备以及合成气的制备、净化。他们对改进后的催化剂配方在常压下进行测试时，竟出乎意料地获得烃类液体燃料[10]。梦寐以久的实验结果终于出现！费舍尔和托普施于1925年7月向专利局提交专利申请，并于同年11月撰写相关论文[11]。1926年费舍尔和托普施的论文发表，介绍费托反应中的产物和催化剂(活性组分、助剂、载体)的基本特征，正式揭开费托反应的近百年的发展历程。此后，托普施积极应对专利审查和改进催化剂配方，并在煤炭研究所筹备建设一套半工业化的试验工厂。

1928年托普施离开煤炭所赴布拉格任职，他的学生罗伦和柯赫(Herbert Koch)留下来继续改进费托反应条件，并确立了费托反应的标准催化剂Co-ThO2/Kieselguhr。1934年罗伦加入鲁尔化学公司(Ruhrchemie AG)对费托反应进行工业化，两年之后在奥伯豪森(Oberhausen)建成试验工厂生产，产量约为25000吨/年(为BASF洛伊纳工厂产量的1/4)[10]。

2.3 竞争与互补

煤制油工业在纳粹政府时期得到大力扶持，在1945年二战结束时已建成21家工厂，其中采用柏吉斯法的有12家，费托合成法的有9家，有效地保障了德国液体燃料的供应，基本实现了“能源自主”的预期目标。事实上，两种煤制油方法在这个时期形成很好的互补关系[12]。柏吉斯法的原料是德国各地常见的褐煤，生产规模大且技术水平略高，产品为航空汽油和汽油，占据了液体燃料供应的主体地位。费托合成法的原料对煤的种类和品质没有限制，但是它的规模一般较小，产品主要为柴油、润滑油、石蜡和低品质汽油。

2）中国女篮比澳大利亚、日本女篮的2分球投篮命中率、内线得分更高，说明中国女篮内线实力较强，但是中国女篮的得分点较少；其他得分技术指标均无显著性差异。

因此，费托合成法的优势在纳粹政府时期并没有完全体现出来。由于褐煤在全球分布的差异性，在德国之外的地方推广柏吉斯法可能会遇到一定的困难。然而，费托合成法的原料其实并不局限于煤，只要是可制取合成气的碳源就可以：焦炉煤气、天然气、生物质等等。费托合成法的国际化开发较早，在工业化完成不久(20世纪30年代)，经由鲁尔化学公司授权到法国、日本和中国东北等地建厂生产液体燃料。费托合成法原料的多样性和良好的国际化优势可能是它历久弥新的主要原因吧。

3 费托合成的兴衰轮回

二战以后，费托合成曾经在美国、英国、南非等多个煤储丰富的国家得到重视和发展，其中南非的工业化最为成功，长期保持一枝独秀。好景不长，中东石油在50年代开始大量上市，多数费托合成工厂不得不陷入沉寂。然而费托合成并未完全失败，而是进入一个周期为10–15年的兴衰轮回，在政治、环境或安全等因素等的作用下多次启用或作为备选方案。

3.1 中东石油危机

中东地区涉及的国家众多，各国家内部因复杂的政治、宗教和民生问题容易出现较大的政治动荡，在各种国际政治势力的间接影响和直接参与下，大小军事冲突、经济波动时有发生，造成石油不能够长期、稳定地供应到世界各地。1973年中东地区爆发战争，石油禁运出现后造成油价暴涨，并引发了第一次全球性的石油危机。中东石油危机加剧了石油进口国家对“能源自主”的渴求和谋划，费托合成法开始跃居于液态合成燃料的主导地位，同时完成催化剂和合成工艺的更新换代。

3.2 环境污染问题

煤特别是低品质煤在生产生活中作为燃料直接使用时，所含的氮、硫等元素氧化后随烟气排放，不仅影响工业产品的质量，还造成严重的环境污染，危害人类的健康。因此，煤的清洁利用技术是减小环境污染、发挥煤高效利用的必然措施。

费托合成法是煤清洁利用的一条可行路径。煤制合成燃料可以使低品质煤充分利用，在制取合成气的工艺流程中进行集中的净化处理，从而通过费托合成得到高品质的液体燃料。我国的科学家在此方面也有新的突破，近年来建成一大批工业规模的试验工厂，有效推动了洁净煤技术的发展[13]。

3.3 天然气或生物质利用

天然气制成的液体合成燃料，具有燃性佳、污染小、洁净无色的特点，一度被誉为“绿色燃料”。多家跨国石油公司先后开发了基于费托合成法的多种技术，开展天然气制油的工业化，第一家工业规模的工厂(Oryx GTL)于2007年在中东地区的卡塔尔建成投产。

我国农业生产中植物秸秆等废弃物的产量巨大，是常见的生物质能源，但它的内在价值没有被充分开发[14]。生物质能源的高效转化与利用，不仅能减少我国对石油、煤炭等化石能源的依赖，也将减少因田间直接焚烧带来的环境污染风险。然而到目前为止，生物质制液体燃料仍没有可行的工业化技术方案，这将给费托合成法的进一步发展带来新的机遇。

总的来说，费托合成法的性价比不高，即制取液体燃料的成本常远高于正常的石油价格。然而费托合成法的产品并不限于常见的燃料，有些还可以作为食物和高附加值的产品，后者能有效缓解它运行时较高的成本投入。如果生物质通过费托合成法制取高附加值产品获得进展，还会增加农民收入，并给农村、农业的可持续发展带来新的活力。

4 关于费托合成的思考与启示

1) 费托合成研究的物理化学特征明显：采用过渡金属为催化剂的活性组分，通过调控反应的温度、压力等条件改变热力学及动力学性能；借助表面化学、动力学探索催化剂的活性结构及作用机理。费托合成在化工上属于强放热、大吨位的过程，对反应器、工艺流程、环境友好性等方面的要求较高，因此费托合成的相关技术能体现时代的水平和特点。近百年来，费托合成在催化剂技术、反应器设计、工艺流程方面经历多次的更新换代，创新层出不穷，值得青年人才在学习基础理论、基本技能时选择使用，从而打下坚实的基础并增强原始创新的意识与理念。

2) 原始创新不仅是发现全新的实验现象或理论，还应包括从别人熟视无睹或观察到但未重视、未理解的蛛丝马迹中找出其内在的价值或真理。BASF公司发现费托合成法得到复杂的产物后，因其不具有单一的化学组成而束之高阁。但费舍尔和托普施却敏锐地发现，费托合成法的产物虽然复杂但不妨碍它作为液体燃料使用的可行性，随后着手开发出实用催化剂，在费托合成上做出自已的贡献。

化学史上类似的例子并不少见，例如C60分子被确认前，也曾被一些科学家观察到但均遭忽视或误判。这些现象说明，原创创新对科学家的学术品位和专业能力具有一定的“挑剔性”。费舍尔和托普施的成功不是偶然：一方面他们对煤制油的理解专业且深刻，另一方面托普施早期的工作经历使他在分析复杂产物时能够从容应对。因此在研究生培养的过程中，在加强专业技能训练的同时，也要支持学生进行独立思考并做出学术判断，从而提高他们的学术品位。

3) 费托合成在经历长期的考验后，才真正地显示出其内在价值。虽然托普施本人未能见证费托合成在全球的工业化成果，但是他关于费托合成的设想大多得以实现。原始创新的价值在于它不仅能突破一个地区资源匮乏或发展瓶颈的约束，还提供长效、普适的解决方法，在世界各地激发出更多、更好的创新灵感或处理方法。因此，科学家在解决所面对的科学问题时，还应在历史发展的哲学高度进行思考、反复审视，让眼界更开阔、长远一些，才能做出真正有价值的原创工作。研究生导师指导学生进行科研工作时，除及时关注项目的执行情况外，还应仔细讲述项目的源由、意义，解答困惑并启发他们思考新的、深层次的问题，帮助学生在工作中逐步开阔视野，突破思维定势和认知局限，成为国家创新的排头兵。

4) 费托合成法发现的关键之一是确定合适的催化剂和对应的反应条件，第一代催化剂的探索和工业化过程由多位团队成员共同协作，历时12年完成，充分显示现代的科研工作已经超越早期的“个人英雄”时代。一项有效完整的科研工作往往由构思预研、寻求资助、实验验证、成果推广(发表文章或申请专利、工业化)多个步骤串联交叉而成，通过组织团队进行实施的办法是现代社会分工合作的必然趋势。因此，原始创新的科研工作需要良好的协作机制，确保团队成员之间和谐、互补；青年研究生应主动提高交流、协作技巧，正确处理得与失的平衡，从而取长补短、高效地解决科学问题。

费托合成法的成功还反映出德国社会的分工和协作机制在当时具有一定的先进性，使参与原始创新的科学家、工厂和工商业财团各方均能从中受益，同时也推动了社会的发展。让人印象特别深刻的是，参与原始创新的各受益方之间的互信合作关系：资助经费的工商业财团不过问研究所的管理，而是对所长予以充分的信任；科学家不用担心工厂不支付专利费用或套取技术秘密；工厂尊重科学家的成果，在工业化方面积极、全力地探索。也许社会大的环境在短时间内难以改变，但一个研究组或部门完全有能力选择适当的时机进行主动调整。因此，研究组或部门负责人应努力营造公平、互信、愉悦的工作环境中，保护研究生或青年人才尽量少遭受社会急功近利、过度竞争等不良风气的羁绊，从而使他们在人生的黄金时期致力于提高学术水准，多出原创性成果。

总之，费托合成方法的发现已将近一百年，虽历经兴衰的轮回变化，但仍在替代能源方面发挥着重要的作用，成为工业催化史上屈指可数的经典之作。费托合成在今天看来仍然有许多积极的意义，为我们开展原创性的研究工作和培养有原始创新能力的青年人才提供参考和借鉴，并为人类与自然和谐关系的形成贡献力量。

致谢：感谢德国的Manfred Rasch教授(Ruhr University Bochum)和Andreas Zilt先生(Thyssenkrupp Corporate Archives)提供关键的文献资料。