來源：《中國科學報》
發(fā)布時間：2021-11-08
包信和（左二）和納米限域催化團隊成員。 大連化物所供圖
化學工業(yè)離不開催化劑，但長久以來，人們開發(fā)催化劑的過程更像“炒菜”，咸了加水，淡了放鹽，在不斷“試錯”中尋找最佳“配方”。設計催化劑，實現催化反應的精準調控，一直是科學家追求的目標。
在近日召開的國家科學技術獎勵大會上，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）包信和院士團隊20余年攻關獲得的“納米限域催化”成果榮獲了2020年度國家自然科學獎一等獎。該成果為認識催化作用機理和實現精準調控化學反應奠定了重要基礎。
“限域效應實際上是保持催化體系在反應過程中處于活性狀態(tài)，并維持催化體系循環(huán)往復不斷地發(fā)生?！卑藕驼f。
“抓”住偶然
在包信和眼里，讓催化反應持續(xù)進行就是要讓催化劑一直配位不飽和，即處于“半溫飽狀態(tài)”。但配位不飽和狀態(tài)往往也很活潑，很難維持住。
1995年剛回國的包信和來到大連化物所，毅然將自己的研究方向鎖定在能源轉化中的催化基礎研究，瞄準煤、天然氣等非石油資源的轉化利用，努力創(chuàng)新高效、環(huán)境友好的催化過程。
我國資源稟賦“貧油、少氣、相對富煤”，大量依賴進口石油生產液體燃料和化學品，這關系到國家能源安全。因此，化學品的生產要發(fā)展就必須蹚出一條適合國情的路子。
2006年，團隊成員在將三氧化二鐵納米粒子填充到碳納米管的過程中，發(fā)現了一個有意思的現象：隨著管徑縮小，碳納米管內催化劑的還原溫度降低了，而且管腔還有穩(wěn)定還原態(tài)催化劑的作用。如何解釋這一現象，團隊爭論不休。這一現象也引起了包信和的重視。多年的經驗和積累告訴他，這或許能為深入理解催化機理找到突破口。他隨即設計了嚴謹的實驗計劃，指導團隊成員進行探索。
一次實驗現象轉瞬即逝，但包信和敏銳地抓住了這一瞬間，并通過大量的實驗驗證，揭示出其中的科學本質。
研究發(fā)現，卷曲的管壁導致碳納米管內外形成了電勢差，促進了管內催化劑形成配位不飽和的活性中心。隨著研究的深入，研究人員逐步理解了碳納米管內催化劑顯示出獨特性能的機理，據此提出了“碳納米管限域”的概念。
后續(xù)研究發(fā)現，除碳納米管外，金屬—氧化物界面也能穩(wěn)定配位不飽和的活性中心，團隊進一步提出“界面限域催化”的概念。碳納米管限域與界面限域催化構成了“納米限域催化”概念中狹義限域和廣義限域兩個方面。
“要時刻保持天上掉餡餅的‘警覺’?！卑藕捅硎?，科研人員不能離開科研一線、不能離開學生，學生受經驗積累限制，知道結果，未必了解成因和背景，這時候就需要導師指導，與他們討論并安排實驗細節(jié)。
為了能夠隨時掌握實驗進展，包信和即使在擔任大連化物所所長期間也一直把辦公室“設”在實驗室旁。他說“就是為了多跟學生在一起”。
“包信和老師經常晚上10點左右還要找我們探討當天的實驗結果，分析實驗現象背后的原因?！贝筮B化物所研究員傅強說。
立志實現“從0到1”的突破
隨著納米限域催化概念的提出和完善，包信和指導研究團隊另辟蹊徑，嘗試將控制反應活性和產物選擇性的兩個催化活性中心分開，讓它們“各司其職”，形成一種新型復合的雙功能催化劑體系。
實驗結果令人十分振奮，合成氣制低碳烯烴反應中目標產物的選擇性大大提高。2016年3月，《科學》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，認為該過程未來在工業(yè)上具有巨大競爭力。
這一技術就是通過納米界面限域，實現催化劑氧化物組分表面配位不飽和活性中心的穩(wěn)定，提高合成氣催化轉化為中間體的活性；再利用納米孔道限域，調控中間體在分子篩孔道中偶聯形成產物的選擇性，從而實現了活性和選擇性的解耦。
德國一家著名跨國化學公司的資深專家了解到該技術后，稍顯沮喪地表示，“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很多了，也該輪到我們了。”
包信和的自信源自對團隊的嚴格要求，嚴格規(guī)范的管理制度使團隊形成了嚴謹的學風。團隊成員必須真實準確記錄實驗目的、實驗條件、所用試劑、實驗現象、表征和反應結果等信息，保證實驗數據的真實性、追溯性和可重復性。全組每年定期檢查實驗記錄，專門召開大組會總結記錄中出現的問題，不斷進行整改，反復宣講“如何規(guī)范實驗記錄”。
包信和認為，實現“從0到1”的突破離不開日積月累，“堅持”非常重要?！翱赡芤婚_始突破并不大，但只要一直下功夫，一定會打開催化自由王國的大門，對產業(yè)和學界發(fā)展產生巨大推動作用?！卑藕驼f。
產業(yè)化的一小步
現如今，“納米限域催化”已成為催化領域中的一個重要概念，發(fā)表的相關研究論文被其他國內外學術同行引用超3萬次，其中重要的8篇代表性論文被引累計近4000次，來自不同國家的眾多團隊跟隨開展限域催化相關的研究工作。
合成氣直接轉化制低碳烯烴技術優(yōu)異的反應性能，也讓研究團隊動了產業(yè)化的心思。在中國科學院院士、大連化物所時任所長張濤的推動下，團隊與中國工程院院士、大連化物所現任所長劉中民帶領的應用開發(fā)研究團隊通力合作，很快完成了實驗室驗證。
研究團隊進一步與陜西延長石油（集團）有限責任公司合作，基于該項創(chuàng)新成果，建設了世界上首套千噸級規(guī)模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗裝置，并于2020年完成工業(yè)全流程試驗，驗證了技術的可行性和先進性。
“納米限域催化概念及其產業(yè)化應用開發(fā)是多個研究團隊、上百位研究人員團結協(xié)作的結果，任何一環(huán)出現短板或松懈都無法達到今天的效果?！卑藕驼f。
業(yè)界認為，該技術應用前景廣闊，理論上，通過調變氧化物和分子篩雙功能催化劑的結構等，就有可能實現最終產品的調控，屆時有望提高我國乃至全球的資源利用效率。
20多年來，該實驗室在人才培養(yǎng)方面碩果累累，先后有40余位博士后、120多位博士研究生、10多位碩士研究生在這里完成學業(yè)，奔赴高等院校、科研院所和企業(yè)工作。多人已成長為催化領域的優(yōu)秀人才，在學術界和產業(yè)界產生了重要影響。
“在納米限域催化這條研究道路上，團隊已經坐了20多年的‘冷板凳’。但只要方向對，就不怕路途遙遠；只要堅持，再冷的板凳也能焐熱?！卑藕驼f。
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