能源是一切物质需求之首，我国能源结构特点为富煤少气缺油，煤炭作为主要能源的状况在未来较长时期内不会发生根本性改变。如何将煤和天然气等非石油资源高效清洁地转化为必需化学品和燃料，对我国具有极为重要的战略意义。
我们都知道，一氧化碳分子由一个碳原子C和一个氧原子O构成，氢气由两个氢原子构成，均为极其简单的分子。不过，以一氧化碳和氢气为主要组分的混合气体——合成气，却大有用途。合成气是用于生产合成液体燃料、合成氨和甲醇的中间体，故名为合成气。生产合成气的原料广泛，从煤、生物质、粪肥到焦炭、天然气等，几乎所有含碳氢的物质都可以经过气化生成合成气。
由于原料来源不同、气化方式不同（与水蒸气、二氧化碳或是氧气反应），一氧化碳和氢气的比例也不同，因此合成气中会含有二氧化碳等其它杂质。随着科学技术的发展，合成气已经成为煤、天然气、生物质等资源高效清洁利用的重要场所。合成气可以转变为经济发展和人民生活所需的烯烃、汽油、柴油、蜡和醇等一系列重要基础化学品和清洁能源。
然而，在常温常压条件下，合成气中的一氧化碳和氢气是稳定的，不会发生变化。
一旦将合成气通入到催化剂上，在一定温度条件下，催化剂即可催化这些气体分子发生反应。催化剂（catalyst）这个词来源于希腊文，其含义是“松弛”，Catalyst翻译成“触媒”，字面上的含义就是 “媒人”。
催化剂在反应过程中不被消耗而只是作为“媒人”把反应物聚集到一起，使反应物之间发生变化，这位“媒人”的能力与其特质（即催化剂的组成和结构）相关，可以直接决定反应以何种速率、何种方式进行，即反应的快慢和最终产物分布。
下面以三个工业乃至社会发展历史中极其重要的过程：合成气制氨、合成气制液体燃料（如汽油）以及正在研发的合成气制低碳烯烃的新技术为例，介绍合成气小分子的大用途。合成气制氨早在1913年，人们就已经开始从合成气中生产氨，现在氨已成为最大吨位的化工产品。全球氨产量的80%用作农业肥料的生产，通过氨获得的农业肥料可以使粮食增产超过40%。
Haber-Bosch 发明的催化合成氨技术被认为是20 世纪催化技术对人类的最伟大的贡献之一。从20 世纪初该技术发明到现在，地球上的人口增长了4.5 倍，而粮食的产量却增长了7.7 倍。如果没有这项发明，地球上将有50%的人不能生存，我国也不可能以占世界7％的耕地养活占世界21%的人口。
由于合成氨反应的重要意义和巨大的挑战性，这个反应无论在基础理论研究还是实际工业应用方面都得到了物理化学家广泛的关注和研究，诺贝尔奖也曾三次授予研究合成氨相关领域的科学家。
从化学反应方程式来讲，这种反应非常简单，只需要空气中的氮气与合成气中的氢气转化为氨。
但要实现这一反应却非常不“顺利”，这是因为合成氨反应是一个体积缩小的放热反应，从热力学角度来说，低温高压更有利于氨气的生成；但从动力学角度考虑，在低温下反应速率极慢以至于无法观察。1901年，法国化学家Henry Louis Le Châtelier尝试在高温高压下，利用铁做催化剂，混合氮气和氢气。然而，由于实验装置混入空气，实验室发生了剧烈爆炸，几乎使他的助手丧命。
这次事故使他放弃了这项研究，导致他与合成氨反应的发明擦肩而过，却也成就了最终的合成氨之父，1918年诺奖获得者——Fritz Haber。
Haber是从1904年开始研究合成氨的，他与1920年诺贝尔奖获得者Walther Nernst提出600度高温和200bar高压下合成氨反应的产出和反应速度最适合工业要求。
在BASF（一家德国化工企业）的支持下，1913年，路德维希港北边的OPPAU合成氨工厂根据他俩的研究结论实现了一天30吨合成氨的生产，从而打开了工业化大规模生产合成氨的新篇章。Fritz Haber 与他的实验室合成氨装置。
我国的合成氨生产情况又是怎样的呢？在合成氨生产过程中，原料气氢的制造、净化是关键技术之一，直接影响着合成氨工业的技术水平。
1965年，大连化物所受化工部委托，承担了“合成氨原料气净化新流程三个催化剂”的研制任务。“三个催化剂”项目的成功使我国合成氨工业从四十年代的水平一跃至六十年代的国际先进水平。相关成果在1966年被列为国家经委、科委、化工部、中国科学院、高教部联合表彰的建国以来16项化工先进技术之一，并于1978年获全国科学技术大会奖。
合成气制液体燃料以合成气为原料生产汽油等液体燃料技术是1923年德国科学家 Franz Fischer （费舍尔）和Hans Tropsch（托普希）发明的，故称费托合成（Fischer-Tropsch synthesis，简称为FTS）。1936 年，这项技术首先在德国实现工业化，到1945年为止，德、法、日、中、美等国共建了16套以煤基合成气为原料的合成油生产装置。
50年代时，南非由于受到国际制裁，被迫利用丰富的煤炭资源发展煤制油工业，陆续建立了3座基于FTS技术的大型煤基合成油厂，年产700万吨。70年代的石油危机让世界再度关注起费托合成油。
费托合成技术是转化煤炭或天然气为液体燃料最有效的方法，即CTL（煤制油）和GTL（天然气制油）生产液体燃料的关键技术。
上世纪50年代，大连化物所在合成液体燃料方面进行了大量的工作，研制出合成气制液体燃料的高效熔铁催化剂，乙烯及三碳以上产品产率均超过当时国际最高水平，并与抚顺石油设计院和石油六厂合作进行中试，取得了阶段性成果。2006年，利用中科院山西煤炭化学研究所自创技术，煤化所牵头联合产业界伙伴共同出资组建成立了中科合成油技术有限公司，实现了中国的煤炭间接液化技术的真正产业化。
该技术将合成气引入填充催化剂的反应器进行反应，根据不同的反应温度得到不同的合成油产品。在高温（330-350℃）下反应，主要产品是汽油和烯烃，低温（180-250℃）下反应，主要生成柴油和蜡。2011年神华宁煤集团采用我国自主开发的中科高温浆态床煤制油工艺技术建设国内最大的400万吨/年煤制油商业装置，目前自主技术正在实施近1600万吨/年产能的商业装置的建设。煤经合成气制液体燃料过程示意图。
合成气制烯烃中国甲醇制烯烃技术的发展以乙烯和丙烯为代表的低碳烯烃（碳原子数小于或等于4的烯烃）是非常重要的基本有机化工原料，以其为原料可以生产诸如塑料、橡胶等高分子材料，通过各种化学反应，可以合成种类繁多的化工产品。其应用遍布国计民生的各个领域，因此低碳烯烃在整个石油化工产业中占有极其重要的地位。
随着我国经济的快速增长，低碳烯烃市场供不应求。
目前，低碳烯烃的生产主要采用轻烃（乙烷、石脑油和轻柴油）裂解的石油化工路线。由于全球石油资源的日渐减少，低碳烯烃的生产原料将成为越来越大的难题。因此，低碳烯烃的生产工艺和原料多元化是不二的选择。近年来，甲醇制烯烃技术的发展为乙烯、丙烯的生产技术注入了新的活力。2010年，大连化学物理研究所自主知识产权的甲醇制烯烃技术首次实现了商业化运转。
截止2016年12月25日，甲醇制烯烃技术已签约合同18个，拟建设生产装置20套，预计建设规模达到烯烃年产能1126万吨；其中已投产装置12套，烯烃的累计年产能646万吨。
这些技术可以摆脱烯烃生产对石油资源的依赖，特别适合中国富煤少油的能源国情，能够大幅度提高中国烯烃消费的自给率，对减少原油进口量，降低我国石油对外依存度具有积极的意义。高能耗的费托合成技术由于具有技术路线短的特点，合成气直接转化制烯烃引起广泛关注，新的烯烃合成技术也在积极地探索和发展。其中研究较多的仍是基于费托合成技术，即通过改变催化剂的组成和结构，以增加烯烃产物的选择性。
然而，费托合成技术通常是在铁、钴等还原态的金属表面上进行，CO分子首先被活化解离（直接解离或者氢助解离），生成表面C原子和O原子，C原子和O原子与吸附在催化剂表面的氢发生反应，形成亚甲基（CH2）中间体，同时放出水分子。亚甲基中间体在开放的金属催化剂表面通过迁移插入进行自由聚合，即表面聚合反应，可生成含不同碳原子数（从一到三十，有时甚至到上百个碳原子）的烃类产物，导致目标产物的选择性低。
下图为典型的费托反应产物符合Anderson-Schultz-Flory (ASF)分布规律，整个反应烃类产物碳原子数分布广，其中含2个至4个碳原子数的烃类产物选择性最高为58%。传统费托反应过程中由合成气转化得到的碳氢化合物按照不同碳数的分布符合ASF规律。
同时，这一过程需要消耗大量氢气来移去金属催化剂表面CO解离生成的O原子，而这些宝贵的氢气是通过水煤气变换（CO+H2O→ H2+CO2）获得的，水煤气变换过程是一个高能耗的过程，还要释放出大量二氧化碳。
合成气直接转化的新路径在甲醇制烯烃技术的商业化运转的同时，大连化物所一直孜孜不倦地探索合成气直接转化制烯烃的技术，并于最近取得了突破性进展。研究人员创造性地采用一种新型复合催化剂，可催化合成气高选择性地一步反应获得低碳烯烃，颠覆了90多年来煤化工一直沿袭的费托路线，创建了一条新路径OX-ZEO。
该过程中CO分子在部分还原的金属氧化物催化剂的氧缺陷位上吸附并解离，气相氢分子选择性地与解离生成的C原子反应生成亚甲基自由基，而催化剂表面CO解离生成的氧原子倾向于与另一个CO反应，形成CO2。与传统的费托过程不同，在氧缺陷位产生的亚甲基自由基，不在催化剂表面停留或发生表面聚合反应，而是迅速进入分子筛孔道，在孔道限域环境中进行择形偶联反应，定向生成低碳烯烃。
该新技术巧妙地实现了CO活化和中间体偶联等两种催化活性中心的有效分离，把传统费托技术上“漫无目的、无拘无束”生长的“自由基”控制在一个“笼子”（分子筛）里。通过限制其行为，使其最终变成我们想要的目标产物（低碳烯烃）。通过对分子筛孔道和酸性质的调控，可以实现产物分子的可控调变。同时，该技术破解了传统催化反应中活性与选择性此长彼消的“跷跷板”难题，为高效催化剂和催化反应过程的设计提供了指南。
新技术以CO替代H2来消除烃类形成中多余的氧原子，避免了消耗更多的氢气，在反应不改变CO2总排放的情况下，摒弃了高耗能和高耗水的水煤气变换反应，从原理上开创了一条低耗水（结构上没有水循环）进行煤转化的新途径。由金属氧化物和分子筛构成的纳米复合催化剂催化的合成气直接转化制烯烃新过程OX-ZEO的反应机理模型图，其产物分布与传统费托FTS-ASF分布及基于费托路径的FTTO技术的对比。
现代科学技术的发展，以合成气为原料的合成氨、合成油、烃类化工生产技术均已投入商业运行。然而，随着经济的高速发展，作为能源和化工基础的石油资源的逐渐枯竭，人们对生态和环境优化意识的不断增强，能源和化工过程正向着高效、低碳、绿色和环境友好的方向进行重大变革。摆在科学家们面前的首要任务是如何使催化反应在更高的活性、更高的产物选择性和能在更低的温度下发生；要求催化过程产生更少的废弃物，造成更小的环境影响。
因此，催化剂的理性设计，实现合成气小分子化学键的高效活化，就如拼积木一样，要按照设计者的目标进行定向排列重组，真正能“随心所欲”地控制生产所需要的化学品和燃料，实现煤化工和天然气化工过程的绿色化。