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探索催化“黑匣子”——記國家自然科學獎一等獎“納米限域催化”獲獎項目團隊

2021-11-14 09:03:35 來源：經濟日報

在現(xiàn)代化工中，大多數(shù)產品生產都與催化過程息息相關。但是，由于催化過程的復雜性，難以清晰認識其中催化的作用機理，一直被視為“黑匣子”。

日前，由中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員包信和帶領團隊提出的“納米限域催化”，為揭秘“黑匣子”提供了創(chuàng)新的理論支撐，榮獲國家自然科學獎一等獎。

改革開放后，我國經濟實力、科技實力逐步提升，對各領域高層次人才的需求更加迫切。剛過而立之年的包信和充滿斗志。我國是個貧油、少氣、富煤的國家，大量依賴進口石油生產液體燃料和化學品關系到國家能源安全。為了國家戰(zhàn)略需求，他瞄準了煤、天然氣等非石油資源高效清潔轉化，將研究方向鎖定在能源小分子轉化生產液體燃料和必需化學品領域，立志解密催化“黑匣子”。

2006年，包信和團隊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(xiàn)，碳納米管不但能限制納米粒子的尺寸，而且管內三氧化二鐵的還原溫度隨著管徑減小而降低，同時低于直接附著在管外的納米粒子，碳納米管內外的納米粒子活性存在較大的差別。

在經過周密的實驗設計和大量研究后，團隊發(fā)現(xiàn)，卷曲導致原本對稱分配在碳納米管兩側的電子云由管內向管外偏移，讓原本惰性碳層的電子結構發(fā)生畸變，在管內外形成電勢差，促進了管內納米粒子的還原，從而形成配位不飽和的金屬活性中心。

碳納米管獨特的納米級管腔結構及其電子限域環(huán)境，導致管內物質性質改變，甚至誘導管內物質產生新的特性。基于此，包信和團隊提出狹義的“限域催化”概念。之后，將該概念拓展至二維和界面相互作用的電子調控體系，即“界面限域催化”概念，這二者共同構成了“納米限域催化”概念中狹義限域和廣義限域的兩個方面。

“精準調控化學反應過程一直是催化化學追求的目標，在當今能源高效轉化、資源優(yōu)化利用及生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的需求推動下，需要催化過程更加溫和，催化反應更加精準和高效。”包信和說。

隨著納米限域催化概念的形成和完善，包信和團隊將界面限域與孔道限域耦合創(chuàng)立了OXZEO催化體系，實現(xiàn)了煤經合成氣一步高選擇性直接制取乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烴，從原理上摒棄了傳統(tǒng)費托（FT）合成路線，省去了耗水、耗能的水煤氣變換和水—氫循環(huán)過程，并成功突破了目標產物選擇性理論極限。

“創(chuàng)新是一個漫長的過程，它需要建立在長期的積累和扎實的基礎之上。沒有前期大量的工作作為鋪墊，是無法實現(xiàn)突破的。”大連化物所研究員傅強對記者說。

“化學領域的創(chuàng)新往往要經過化工過程進入應用領域，作為科學家要有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造。”中國科學院院士、北京化工大學應用化學系教授段雪說。包信和團隊自然也希望這項成果能夠產業(yè)化應用，服務國家化工行業(yè)。

基于該項創(chuàng)新成果，大連化物所與陜西延長石油（集團）有限責任公司合作，建設了世界首套千噸級規(guī)模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗裝置。2019年完成單反應器試車，2020年成功完成工業(yè)全流程試驗，進一步驗證了該技術路線的先進性和可行性。

“理論指導實踐，未來，基于納米限域催化概念，將有更多技術實現(xiàn)產業(yè)化應用，屆時將提高我國乃至全球的資源利用效率。”包信和說。（經濟日報記者常理）

標簽：黑匣子納米國家自然科學