探索催化“黑匣子”

——記國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)“納米限域催化”獲獎(jiǎng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

本報(bào)記者 常 理

在現(xiàn)代化工中，大多數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)都與催化過(guò)程息息相關(guān)。但是，由于催化過(guò)程的復(fù)雜性，難以清晰認(rèn)識(shí)其中催化的作用機(jī)理，一直被視為“黑匣子”。

日前，由中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員包信和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

改革開(kāi)放后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技實(shí)力逐步提升，對(duì)各領(lǐng)域高層次人才的需求更加迫切。剛過(guò)而立之年的包信和充滿斗志。我國(guó)是個(gè)貧油、少氣、富煤的國(guó)家，大量依賴(lài)進(jìn)口石油生產(chǎn)液體燃料和化學(xué)品關(guān)系到國(guó)家能源安全。為了國(guó)家戰(zhàn)略需求，他瞄準(zhǔn)了煤、天然氣等非石油資源高效清潔轉(zhuǎn)化，將研究方向鎖定在能源小分子轉(zhuǎn)化生產(chǎn)液體燃料和必需化學(xué)品領(lǐng)域，立志解密催化“黑匣子”。

2006年，包信和團(tuán)隊(duì)在將三氧化二鐵納米粒子填充到碳納米管的過(guò)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(nèi)三氧化二鐵的還原溫度隨著管徑減小而降低，同時(shí)低于直接附著在管外的納米粒子，碳納米管內(nèi)外的納米粒子活性存在較大的差別。

在經(jīng)過(guò)周密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和大量研究后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，卷曲導(dǎo)致原本對(duì)稱(chēng)分配在碳納米管兩側(cè)的電子云由管內(nèi)向管外偏移，讓原本惰性碳層的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，在管內(nèi)外形成電勢(shì)差，促進(jìn)了管內(nèi)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(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)生新的特性?；诖耍藕蛨F(tuán)隊(duì)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(diào)控體系，即“界面限域催化”概念，這二者共同構(gòu)成了“納米限域催化”概念中狹義限域和廣義限域的兩個(gè)方面。

“精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)過(guò)程一直是催化化學(xué)追求的目標(biāo)，在當(dāng)今能源高效轉(zhuǎn)化、資源優(yōu)化利用及生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的需求推動(dòng)下，需要催化過(guò)程更加溫和，催化反應(yīng)更加精準(zhǔn)和高效。”包信和說(shuō)。

隨著納米限域催化概念的形成和完善，包信和團(tuán)隊(duì)將界面限域與孔道限域耦合創(chuàng)立了OXZEO催化體系，實(shí)現(xiàn)了煤經(jīng)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(fèi)托(FT)合成路線，省去了耗水、耗能的水煤氣變換和水—?dú)溲h(huán)過(guò)程，并成功突破了目標(biāo)產(chǎn)物選擇性理論極限。

“創(chuàng)新是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，它需要建立在長(zhǎng)期的積累和扎實(shí)的基礎(chǔ)之上。沒(méi)有前期大量的工作作為鋪墊，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)突破的?！贝筮B化物所研究員傅強(qiáng)對(duì)記者說(shuō)。

“化學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新往往要經(jīng)過(guò)化工過(guò)程進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，作為科學(xué)家要有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、北京化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授段雪說(shuō)。包信和團(tuán)隊(duì)自然也希望這項(xiàng)成果能夠產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，服務(wù)國(guó)家化工行業(yè)。

基于該項(xiàng)創(chuàng)新成果，大連化物所與陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司合作，建設(shè)了世界首套千噸級(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年完成單反應(yīng)器試車(chē)，2020年成功完成工業(yè)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。

“理論指導(dǎo)實(shí)踐，未來(lái)，基于納米限域催化概念，將有更多技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，屆時(shí)將提高我國(guó)乃至全球的資源利用效率?！卑藕驼f(shuō)。