來源:《中國青年報》
發(fā)布時間:2021-11-04
在現(xiàn)代化學工業(yè)中,大多數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)都與催化過程息息相關(guān)。但長期以來,催化過程被視為科研領(lǐng)域的“黑匣子”,很少有人知道這個過程究竟發(fā)生了什么。
中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱“大連化物所”)包信和院士帶領(lǐng)團隊,在催化基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域耕耘20余載,提出了納米限域催化等新概念,揭示了這個“黑匣子”的奧秘。11月3日,在2020年度國家科學技術(shù)獎勵大會上,包信和等人完成的這一重大成果,斬獲了我國自然科學領(lǐng)域的最高獎項——國家自然科學一等獎。
“在納米催化這條研究道路上,團隊已經(jīng)坐了20多年的冷板凳,堅持了20多年。但團隊始終相信,科學研究只要方向?qū)Γ筒慌侣吠具b遠。只要堅持,再冷的板凳也能焐熱?!卑藕驼f。
從現(xiàn)象到理論
1995年,包信和完成了在德國馬普研究所近6年的合作研究,來到大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室,揚起了催化基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的風帆。
作為改革開放后新一代的歸國科研人員,包信和告訴記者,國內(nèi)的科研環(huán)境和條件已大大改善,“研究就是要瞄準催化中的關(guān)鍵科學問題,解密催化‘黑匣子’,做有意義的研究課題,服務(wù)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要?!?/p>
能源小分子的轉(zhuǎn)化,離不開催化劑。
包信和介紹,活性金屬,如鐵、鈷、鎳等都是常用的金屬催化劑,但活性金屬特別是納米催化劑,在實際反應(yīng)過程中往往面臨活性物種化學價態(tài)難以控制、催化性能難以調(diào)控等難題。
2006年,研究團隊發(fā)現(xiàn),碳納米管不但能限制納米粒子的尺寸,還能穩(wěn)定配位不飽和的還原態(tài)金屬物種。這些導致碳納米管內(nèi)外的納米粒子活性有較大的差別。
這一現(xiàn)象引起了包信和的關(guān)注。
一次實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝,但包信和能夠敏銳地抓住一個或幾個稍縱即逝的實驗現(xiàn)象,通過大量的實驗驗證,探索其科學本質(zhì),這是源于科學家的敏銳直覺和長期積累,也得益于該團隊嚴格執(zhí)行實驗記錄規(guī)范制度。
2007年,在合成氣制乙醇等碳二含氧化合物的實驗中,該團隊發(fā)現(xiàn),碳納米管內(nèi)銠錳催化劑的活性比管外更佳,表現(xiàn)出更好的性能。
“這就像過于狹小的空間讓人緊張不安一樣,空間限制也讓其內(nèi)的金屬催化劑‘活潑’起來?!贝筮B化物所研究員潘秀蓮說。
基于此,包信和提出了“碳納米管限域”的概念。
大連化物所研究員傅強介紹,金屬與氧化物界面形成的限域環(huán)境,對氧化物的結(jié)構(gòu)和化學狀態(tài)提供了約束作用,也能穩(wěn)定配位不飽和金屬活性中心。
從現(xiàn)象挖掘本質(zhì),研究團隊提出了“界面限域催化”的概念。“碳納米管限域”與“界面限域催化”共同構(gòu)成了“納米限域催化”概念中狹義限域和廣義限域的兩個方面。
從概念到應(yīng)用
包信和告訴記者,近百年來,為了以煤為原料獲得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴,國際上普遍采用20世紀20年代德國科學家發(fā)明的費托合成技術(shù)。該技術(shù)首先讓煤氣化形成合成氣,在適當條件和催化劑的作用下,再合成低碳烯烴或其他碳氫化合物。
不過,這個過程需要通過水煤氣變換過程制備大量氫氣來調(diào)節(jié)所需要的氫碳比例,水耗高、能耗大,在獲得氫氣的同時放出二氧化碳。
隨著納米限域及界面限域概念的形成和完善,包信和研究團隊另辟蹊徑,將一氧化碳/氫氣活化與碳-碳鍵偶聯(lián)的活性中心分開,讓它們“各司其職”,實現(xiàn)催化過程中轉(zhuǎn)化率和選擇性的解耦。
沿著這個思路,研究團隊將控制反應(yīng)活性和產(chǎn)物選擇性的兩類催化活性中心分開,創(chuàng)制出一種新型復合的雙功能催化劑體系。
實驗結(jié)果令人十分振奮,沒想到思路的轉(zhuǎn)變,幫研究團隊捅破了“窗戶紙”,解決了一直困擾他們的問題。
2016年3月,《科學》雜志刊登了這一研究成果,并同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”為題的專家評述文章,認為未來該過程在工業(yè)上將具有巨大的競爭力。
這項技術(shù)的創(chuàng)新之處在于將“活化”與“偶聯(lián)”這兩個本該“一氣呵成”的過程分開。
當從事相關(guān)研究20多年的德國一跨國公司資深研究人員了解到該研究后,稍顯沮喪地說:“這個點子為什么不是我們先想到的?”
包信和不無自豪地回答道:“你們想到的點子已經(jīng)很多了,也該輪到我們了?!?/p>
其實,早在2007年,研究團隊就提出采用雙功能耦合催化劑體系,探索合成氣一步制烯烴的構(gòu)想。長期以來,研究結(jié)果一直在不斷優(yōu)化和進步。
“直到積累了大量理論基礎(chǔ)后,才發(fā)現(xiàn)活性中心間的距離對雙功能耦合催化體系至關(guān)重要,‘距離’的確能產(chǎn)生‘美’?!迸诵闵徴f。
回顧研究歷程,傅強感慨,創(chuàng)新建立在長期的積累和扎實的基礎(chǔ)之上,有傳承才能有創(chuàng)新,先要有量的積累,再有質(zhì)的跨越,最終實現(xiàn)從0到1的突破。這個過程中“堅持”非常重要。
實驗室優(yōu)異的催化效果,也讓研究團隊動了產(chǎn)業(yè)化的心思。
包信和、潘秀蓮領(lǐng)導的基礎(chǔ)研究團隊與中國工程院院士、大連化物所所長劉中民帶領(lǐng)的應(yīng)用開發(fā)研究團隊合作,很快完成了該成果的實驗室驗證,與陜西延長石油(集團)有限責任公司合作,建設(shè)了世界上首套基于該項創(chuàng)新成果的千噸級規(guī)模的煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗裝置。該裝置于2019年完成單反應(yīng)器試車,催化劑性能和反應(yīng)過程的多項重要參數(shù)超過設(shè)計指標,總體性能優(yōu)于實驗室水平。
“理論指導實踐,未來,基于納米限域催化概念,將有更多技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,屆時將有望提高我國乃至全球的資源利用效率。”包信和說。
從小成果到大催化
一流的成果源自一流的團隊。
“納米限域催化概念及其產(chǎn)業(yè)化嘗試需要多個研究團隊、上百名研究人員的團結(jié)協(xié)作,任何一環(huán)出現(xiàn)短板或松懈都無法達到今天的效果。”包信和說。他尤其重視科研骨干的工作研討,定期組織討論已成常態(tài)。
大連化物所研究員鄧德會是這些研討會的“常客”,自2007年四川大學本科畢業(yè)后,便進入大連化物所進行碩博階段的學習,師從包信和,從事催化相關(guān)研究。
“每次有困惑我都去找包老師,他不在辦公室就在實驗室?!编嚨聲f,“這個團隊有一條鐵一樣的紀律,那就是‘不允許任何不正之風’,任何人都不能跨越?!?/p>
實驗室也對研究課題提出嚴格要求。
不管是新生來所、導師報告,還是開題報告、骨干討論會上,包信和在幾乎所有重要的場合都會強調(diào)一句話:“你做的工作要得到國內(nèi)外科技界認可,一提到某項工作,大家就知道是你做的。”
包信和為年輕導師的發(fā)展創(chuàng)造了許多良好的條件,比如項目、經(jīng)費、設(shè)備和學生等。他還會定期召集團隊成員,討論每個人的發(fā)展規(guī)劃。這也造就了團隊和諧、團結(jié)的氛圍,培養(yǎng)出一批心無旁騖的“技術(shù)宅”。
傅強、潘秀蓮、鄧德會都是其中的典型代表。
大連化物所研究員韓秀文對鄧德會印象深刻,“鄧德會對研究一直很癡迷,幾乎所有時間都撲在實驗室,為此受了不少‘批評’?!?/p>
她告訴記者,科研潛力大、有干勁的年輕科研人員是好苗子,但也擔心他們步子太快而在科研上出現(xiàn)重大紕漏,因此對于這樣的年輕人往往采用“響鼓也需重錘敲”的策略。
“當時,往往包信和老師批評完我,韓秀文老師還要與我談心?!编嚨聲f,“現(xiàn)在回想起來,這些教誨就是我成長的‘催化劑’,每次跟當年的同學聊起來,大家都非常感激這個團隊和老師們?!?/p>
受到“重錘敲打”的鄧德會成長迅速,博士畢業(yè)后留所繼續(xù)做科研,并成立創(chuàng)新組,組建團隊從事貴金屬替代的納米催化劑相關(guān)研究。
鄧德會說,“我自己帶隊伍后,也鼓勵開討論會,讓大家暢所欲言,這些都深受包信和老師的影響。”
20多年來,包信和所在的實驗室,共培養(yǎng)博士研究生125人、碩士研究生14人、博士后40余人,多人已成長為催化領(lǐng)域的優(yōu)秀人才。
如今,“納米限域催化”已成為催化領(lǐng)域中的一個重要概念,相關(guān)研究論文他引已經(jīng)超過3萬次,8篇代表性論文被引累計近4000次,來自不同國家的眾多理論和實驗研究團隊跟隨開展限域催化相關(guān)的系統(tǒng)研究。
昔日的“冷板凳”,已經(jīng)越焐越熱。
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