來源：《人民日?qǐng)?bào)》
發(fā)布時(shí)間：2021-11-11
包信和（左二）與團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室。謝震霖?cái)z
編者按：中共中央、國務(wù)院日前在北京隆重舉行國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)。2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)共評(píng)選出264個(gè)項(xiàng)目、10名科技專家和1個(gè)國際組織，我們從中選取了兩項(xiàng)國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和一項(xiàng)國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)，報(bào)道這些獲獎(jiǎng)項(xiàng)目取得的重要突破，展示科研人員自立自強(qiáng)、勇攀科技高峰的風(fēng)采，敬請(qǐng)關(guān)注。
怎樣精準(zhǔn)設(shè)計(jì)催化劑，讓催化反應(yīng)更高效？如何用更加高效、低碳的方式，從煤中獲得烯烴和芳烴等化工原料？隨著“納米限域催化”概念的提出，我們向解決這些困擾化學(xué)家的科學(xué)難題邁進(jìn)了一大步。
“納米限域催化”是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）包信和院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)20余年的研究結(jié)晶。憑借對(duì)催化理論發(fā)展的重要貢獻(xiàn)，該成果成為榮獲2020年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的兩個(gè)項(xiàng)目之一。
創(chuàng)立“納米限域催化”概念，為催化劑精準(zhǔn)設(shè)計(jì)打開一扇窗
催化在自然界普遍存在。2000多年前，中國人就懂得用酒曲（生物酶催化劑）釀酒。現(xiàn)代化工產(chǎn)品生產(chǎn)更加離不開催化，比如，氮和氫在高溫高壓和催化劑下合成的氨，是化肥工業(yè)和基本有機(jī)化工的主要原料。然而，催化反應(yīng)發(fā)生的過程和催化作用機(jī)理長期以來一直被視為“黑匣子”。
揭示催化過程，有助于為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)催化劑提供理論支撐，從而幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)夢(mèng)寐以求的目標(biāo)：精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)過程。
在催化反應(yīng)過程中，反應(yīng)物分子一般要與催化劑發(fā)生化學(xué)作用。為獲得更好的催化效果，在很長一段時(shí)間里，科學(xué)家依靠實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)的方式探索催化劑。這就像炒菜，咸了加水、淡了加鹽，最終選擇一種較好的方案。至于原料是怎樣變成產(chǎn)品的，往往只能依靠邏輯推理來想象。
隨著研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在原子層面，催化劑表面電子排列不同，反應(yīng)就可能不一樣。于是，科學(xué)家試圖通過表面結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法，來理解催化機(jī)理，設(shè)計(jì)所需要的催化劑，進(jìn)而精準(zhǔn)控制催化反應(yīng)過程。
歷經(jīng)多年研究和實(shí)踐，借助納米尺度的空間限域效應(yīng)，包信和研究團(tuán)隊(duì)對(duì)體系電子能態(tài)進(jìn)行調(diào)變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)催化性能的精準(zhǔn)調(diào)控，提出狹義的“限域催化”概念。之后，他們將該概念拓展至二維和界面相互作用的電子調(diào)控體系，定義和創(chuàng)建了具有廣泛意義和普適性的“納米限域催化”概念，這為精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的性能和反應(yīng)路徑打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
如今，“納米限域催化”成為催化研究的熱點(diǎn)，包信和團(tuán)隊(duì)發(fā)表的相關(guān)研究論文他引超過3萬次，許多國際團(tuán)隊(duì)跟隨開展研究，并在催化選擇氧化和高效加氫等多個(gè)重要催化體系中得到驗(yàn)證。
摒棄傳統(tǒng)的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了高選擇性一步制取低碳烯烴
在“納米限域催化”概念指導(dǎo)下，包信和團(tuán)隊(duì)的一些成果從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)試驗(yàn)。比如，近百年來，以煤為原料直接獲得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴，國際上普遍采用費(fèi)托合成技術(shù)。該技術(shù)首先讓煤氣化形成合成氣，在適當(dāng)條件和催化劑的作用下，再進(jìn)一步合成碳?xì)浠衔铩Ｊ芟抻诖呋饔迷?，低碳烴選擇性理論極限為58%。同時(shí)為了滿足加氫脫氧反應(yīng)的需要，工藝上要通過耗水、耗能的水煤氣變換過程制備氫，這一過程還放出大量二氧化碳。
從“納米限域催化”概念出發(fā)，包信和團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將控制反應(yīng)活性和產(chǎn)物選擇性的兩類催化活性實(shí)現(xiàn)解耦，創(chuàng)制了一種新型復(fù)合的雙功能催化劑體系。這樣一來，他們從原理上摒棄傳統(tǒng)費(fèi)托合成路線，實(shí)現(xiàn)了高選擇性一步制取低碳烯烴。
基于該創(chuàng)新成果，包信和團(tuán)隊(duì)與大連化物所劉中民院士團(tuán)隊(duì)以及陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司合作，建成世界首套千噸級(jí)規(guī)模的煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗(yàn)裝置。2019年，該裝置完成單反應(yīng)器試車，一氧化碳單程轉(zhuǎn)化率超過50%，低碳烯烴選擇性優(yōu)于75%，多項(xiàng)重要參數(shù)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)。2020年成功完成全流程試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)路線的先進(jìn)性和可行性。
了解包信和團(tuán)隊(duì)制取低碳烯烴的思路后，德國一家著名跨國化學(xué)公司的一位資深專家說：“這個(gè)點(diǎn)子為什么我們沒先想到？”包信和回答說：“你們想到的點(diǎn)子蠻多了，也該輪到我們了?！?/p>
包信和的底氣來自于團(tuán)隊(duì)長期的原創(chuàng)積累?！鞍蠋煂?duì)研究課題的要求很高。他一直強(qiáng)調(diào)，想要獲得學(xué)術(shù)界認(rèn)可，就要做那些獨(dú)一無二的工作?！卑藕蛨F(tuán)隊(duì)成員、大連化物所研究員潘秀蓮告訴記者。
20多年潛心研究，實(shí)現(xiàn)從“0”到“1”關(guān)鍵跨越
1995年，從德國學(xué)成歸國后，包信和加入大連化物所，研究如何利用煤炭轉(zhuǎn)化制備化學(xué)品。從一開始他就瞄準(zhǔn)催化中的關(guān)鍵科學(xué)問題——解密催化的“黑匣子”。
包信和團(tuán)隊(duì)在“納米限域催化”領(lǐng)域耕耘了20多年。他說，大的“0”到“1”突破，往往是由許多小的“0”到“1”的研究積累起來的。不論大小，心里一定要有做原始創(chuàng)新的夢(mèng)想，即使最終達(dá)不到預(yù)期，哪怕只是往前推動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，積累起來也會(huì)有巨大的進(jìn)展。
2006年，在將納米粒子填充到碳納米管的過程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，碳納米管內(nèi)外的納米粒子活性存在較大差別。這一現(xiàn)象引起包信和的注意，他通過大量研究發(fā)現(xiàn)：碳納米管獨(dú)特的納米級(jí)管腔結(jié)構(gòu)及其電子限域環(huán)境，導(dǎo)致管內(nèi)物質(zhì)性質(zhì)改變，甚至誘導(dǎo)管內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生了新的特性。基于系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，包信和提出了“碳納米管限域”的概念，研究視野就此打開。
“天上掉餡餅，我們也要接得住?！卑藕驼f，一次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，只有腦中一刻不停地在琢磨，才可能敏銳意識(shí)到其中的科學(xué)問題。
縱觀研究歷程，許多發(fā)現(xiàn)偶然中有必然。一名學(xué)生在做制備烯烴的交流展示時(shí)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中烯烴的選擇性超過70%，該數(shù)據(jù)給包信和留下了深刻的印象。因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)理論，選擇性不可能這么高。于是，請(qǐng)學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)操作無誤、數(shù)據(jù)可靠后，包信和判斷這方面值得深入研究。一次次的實(shí)驗(yàn)后，他們發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘，抓住了影響合成氣直接制成低碳烯烴選擇性的關(guān)鍵，并取得了突破性進(jìn)展。這些工作進(jìn)一步推動(dòng)了團(tuán)隊(duì)對(duì)納米限域催化原理的認(rèn)識(shí)。
“做好研究，導(dǎo)師要與學(xué)生在一起，堅(jiān)持到研究第一線。”包信和認(rèn)為。在大連化物所，他的辦公室就在實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)上研究所所長后也是如此。團(tuán)隊(duì)成員鄧德會(huì)2007年從四川大學(xué)本科畢業(yè)后，進(jìn)入大連化物所，師從包信和從事催化相關(guān)研究。他熱愛鉆研，有困惑總能很快找到老師、得到解答，這讓他在短短數(shù)年內(nèi)快速成長。
“學(xué)生知識(shí)積累不夠，但通常最了解實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)。老師不到一線和學(xué)生討論，就不能發(fā)現(xiàn)、提煉問題，真正做出原創(chuàng)成果?！卑藕驼f。
包信和團(tuán)隊(duì)成員、大連化物所研究員傅強(qiáng)告訴記者，有時(shí)候，包老師在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間比學(xué)生還長?！敖?jīng)常晚上10點(diǎn)了，還在與我們探討當(dāng)天的實(shí)驗(yàn)?！?/p>
盡管“納米限域催化”解釋了很多催化現(xiàn)象，也在高效催化劑的設(shè)計(jì)研制中得到了很好的驗(yàn)證，但包信和表示，該概念成為成熟的普適理論還需要做大量的工作，揭開催化的“黑匣子”仍然任重道遠(yuǎn)。他希望，未來通過深入系統(tǒng)研究，將該概念進(jìn)一步完善，使其更加公式化，從而在精準(zhǔn)設(shè)計(jì)催化劑上更具有普遍意義的指導(dǎo)價(jià)值。
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