科学家构建“纳米限域催化”概念获国家自然科学奖一等奖

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  北京11月4日电  题:解密“催化黑匣子” 科学家构建“纳米限域催化”概念获2020年度国家自然科学奖一等奖

  记者张泉、王莹

  能源转化、材料合成、环境保护……这些与人们息息相关的领域中,催化发挥着关键作用。

  催化科技的创新变革离不开催化理论的突破和发展。中国科学院大连化学物理研究所包信和院士带领团队,经过20余年探索,系统创建了具有普适性的“纳米限域催化”概念,打开了一扇认识催化过程、精准调控化学反应的大门。该成果荣获2020年度国家自然科学奖一等奖。

  “纳米限域催化”:有望成为解密“催化黑匣子”之钥

  可加速或减缓化学反应速率,可减少化学反应“副产品”,可降低能源消耗……催化的“神奇”作用,使其成为化工生产中的关键角色。通过催化精准调控化学反应过程,是科学家们长期以来追求的目标。

  然而在学术界,具体的催化过程、催化机理至今尚不明晰,长期以来被视为“黑匣子”。解密这个“黑匣子”,才能创制出更加高效的催化剂,让化学反应更加节能环保、更加精准高效。而“纳米限域催化”有望成为解密“催化黑匣子”的一把钥匙。

  包信和与研究团队发现,将催化剂置于碳纳米管内,会使其表现出更好的活性和性能。就像过于狭小的空间让人紧张不安,空间限制也让其内的催化剂“活泼”起来。

  进一步研究发现,除碳纳米管外,金属与氧化物界面形成的限域环境,也能稳定配位不饱和金属活性中心。

  在此基础上,包信和与团队明确定义和系统创建了具有广泛意义和普适性的“纳米限域催化”概念。

  目前,“纳米限域催化”概念已在多个重要催化体系中得到验证,为精准调控化学反应的性能和反应路径打下了基础,丰富和完善了催化基础理论,相关领域已成为当今催化基础研究和应用实践的热点之一。

  从概念到应用:原创成果转化为产业竞争力

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  在“纳米限域催化”概念指导下,包信和与团队积极推动研究成果走向应用,多项代表性应用成果已进入工业试验阶段。

  为以煤为原料获得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃,包信和与团队创立了全新的催化体系,实现节水节能、降低二氧化碳排放的同时,还通过对目标产物选择性的精准调控,减少“副产品”,更高效率地获取低碳烯烃。

  而此前,国际上普遍采用20世纪20年代德国科学家发明的费托合成技术,该过程能耗大、水耗高,且产物低碳烃(C2-C4)选择性一直难以逾越58%的ASF理论极限。

  包信和院士团队这项技术,摒弃了传统费托合成路线,将“活化”与“偶联”这两个本该“一气呵成”的过程分开,利用“纳米限域催化”相关理念,在提高反应活性的同时,对目标产物的选择性进行精准调控。

  国际学术期刊《科学》2016年发表这一研究成果时,同期刊发了以“令人惊奇的选择性”为题的专家评述文章,认为该技术未来在工业上将具有巨大的竞争力。

  基于该项创新成果,通过与大连化物所刘中民院士团队及陕西延长石油(集团)有限责任公司合作,建成世界首套千吨级规模的煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置,并成功完成了工业试验,催化剂性能和反应过程的多项重要参数超过了设计指标。

  “理论指导实践,未来,基于‘纳米限域催化’概念,将有更多技术实现产业化应用,届时将有望提高我国乃至全球的资源利用效率。”包信和说。

  “甘坐冷板凳”:坚守换来“从0到1”的突破

  搞基础研究离不开“甘坐冷板凳”的精神,要取得“从0到1”的原创性突破更是如此。

  1995年,包信和响应国家召唤,回到祖国,从此投身于煤、天然气等非石油资源的高效清洁转化研究。“就要瞄准催化中的关键科学问题,解密‘催化黑匣子’,这是国民经济发展的需要。”包信和说。

  图为包信和院士

  20多年间,他始终坚持在科研一线。大多数时间里,他不在办公室,就在实验室,加班到深夜更是家常便饭。“离开了实验室和学生,离开了科研一线,想要取得原创性成果是不可能的。”包信和说。

  “一次实验现象转瞬即逝,但包信和院士总能敏锐地抓住,并通过大量的实验验证,探索其科学本质,这是源于科学家的敏锐直觉和长期积累,也得益于团队成员的良好作风和共同努力。”大连化物所研究员傅强说,“坚持”至关重要,先要有量的积累,再有质的跨越,最终实现“从0到1”的突破。

  “在‘纳米限域催化’这条研究道路上,团队坐了20多年的‘冷板凳’。但只要方向对,就不怕路途遥远;只要坚持,再冷的板凳也能焐热。”包信和说。

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