以“限制”尋求“突破”：團(tuán)隊(duì)堅(jiān)守20年，實(shí)踐催化原創(chuàng)新概念

2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)?lì)C給了由中國(guó)科學(xué)院包信和院士帶領(lǐng)的中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(簡(jiǎn)稱大連化物所)團(tuán)隊(duì)的“納米限域催化”項(xiàng)目。

催化，即能改變化學(xué)反應(yīng)速度的過(guò)程。研究催化，追求的是高活性和高選擇性。但是，這兩者在很多反應(yīng)過(guò)程中是耦合在一起的——轉(zhuǎn)化率高時(shí)，選擇性就低了，兩者經(jīng)常產(chǎn)生矛盾。催化是化學(xué)工業(yè)中關(guān)鍵的核心技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多方面，如石油煉制、合成化肥、合成纖維和汽車尾氣處理等發(fā)揮了巨大的作用。

據(jù)科技日?qǐng)?bào)消息，20世紀(jì)90年代，包信和從德國(guó)的馬普研究所回到中科院大連化物所，一直帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從事納米催化的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，追求著對(duì)催化過(guò)程的準(zhǔn)確理解和對(duì)催化劑的理性設(shè)計(jì)。

團(tuán)隊(duì)先是發(fā)現(xiàn)了碳納米管獨(dú)特的限域特性——碳納米管內(nèi)銠錳催化劑催化合成氣轉(zhuǎn)化為乙醇等碳二含氧化合物的活性比管外更佳。

從現(xiàn)象挖掘本質(zhì)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，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。這是一種廣義的限域，限制是一種電子狀態(tài)，讓催化劑始終保持“吃不飽”的狀態(tài)，讓催化反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行下去——這被稱作納米界面限域。

團(tuán)隊(duì)基于納米限域催化概念，實(shí)踐應(yīng)用于煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高選擇性一步反應(yīng)獲得低碳烯烴。

曾經(jīng)，“費(fèi)托合成”過(guò)程被奉為煤化工領(lǐng)域的“圣經(jīng)”。這一反應(yīng)從原理上涉及一個(gè)水循環(huán)：要用大量的水去制取更多氫氣，同時(shí)反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生廢水。

包信和帶著團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用納米界面限域概念，穩(wěn)定氧化物催化劑表面配位不飽和的氧缺陷活性中心，提高合成氣中一氧化碳解離和加氫形成中間體的活性；再利用納米孔道限域作用，調(diào)變中間體小分子在分子篩中偶聯(lián)的選擇性，從而對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

這種催化，實(shí)現(xiàn)了高活性和高選擇性的“雙贏”。更讓人振奮的是，基于新概念的轉(zhuǎn)化路徑，可以實(shí)現(xiàn)低耗水進(jìn)行煤轉(zhuǎn)化，為我國(guó)的能源革命提供支撐。

基于該項(xiàng)創(chuàng)新成果，通過(guò)與大連化物所劉中民院士團(tuán)隊(duì)及陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司合作，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)裝置已經(jīng)建成，并于2020年成功完成工業(yè)全流程試驗(yàn)，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性和先進(jìn)性。

從發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象到提出概念再到付諸應(yīng)用，已經(jīng)過(guò)了20多年。包信和團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)守，盡管這項(xiàng)技術(shù)是很困難的，但始終堅(jiān)信團(tuán)隊(duì)能做出來(lái)。而最終，納米限域催化這個(gè)概念成功得到實(shí)踐，并且獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)的榮耀。

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標(biāo)簽： 催化 限制