以“限制”求“突破”!他們用20年提出催化原創新概念


◎ 科技日報記者 張蓋倫

“我一直在想,怎麼把我們的研究給大家說清楚。”接受媒體採訪之前,包信和院士顯得還有些苦惱,這位大科學家特意跟記者們囑咐:“我講得未必好,待會要是有不清楚的地方,你們儘管問。”

此次,以中國科學院院士包信和等人為主要完成人的中科院大連化學物理研究所團隊因奈米限域催化獲得2020年度國家自然科學獎一等獎。


專案主要完成人,從左至右為中科院大連化物所研究員鄧德會、包信和、潘秀蓮和傅強

這是一趟持續二十多年的科學求索旅程。成功的關鍵之一,包信和說得樸實:你要下功夫,腦子裡要一直琢磨。

一個原創概念,一條煤化工新路徑

奈米限域催化,乍聽確實艱深晦澀。

包信和展示了兩張圖。一張圖,是關在籠子裡的猛獸。“哪裡有壓迫,哪裡就有反抗。”被關起來的猛獸,總會比較暴躁。

第二張圖,是乒乓球。把乒乓球拍壓向球檯,當你的拍子越壓越低,乒乓球上下彈動的頻率也會越來越快。

“限制,會改變很多事情。”包信和說,用更學術的詞,叫“限域”。

催化,能改變化學反應的速度。做催化,追求的是高活性和高選擇性。但是,這兩者在很多反應過程中是耦合在一起的——轉化率高時,選擇性就低了,常常是一對矛盾。

上世紀90年代,包信和從德國的馬普研究所回到中科院大連化物所,一直帶領團隊從事奈米催化的基礎和應用研究,追求著對催化過程的準確理解和對催化劑的理性設計。


中科院院士、中科院大連化物所研究員包信和

團隊先是發現了碳奈米管獨特的限域特性——碳奈米管內銠錳催化劑催化合成氣轉化為乙醇等碳二含氧化合物的活性比管外更佳。

從現象挖掘本質,團隊發現,除碳奈米管外,金屬—氧化物介面也能穩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,讓催化劑始終保持“吃不飽”的狀態,讓催化反應能夠持續進行下去——這被稱作奈米介面限域。

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團隊基於奈米限域催化概念,實踐應用於煤經合成氣直接轉化催化劑的設計,實現了高選擇性一步反應獲得低碳烯烴。

曾經,“費託合成”過程被奉為煤化工領域的“聖經”。要想把煤轉化為液體燃料和其他化學品,費託反應是大家的不二選擇。這一反應從原理上涉及到一個水迴圈:要用大量的水去製取更多氫氣,同時反應還會產生廢水。

而且,傳統費託合成中低碳烴的選擇性最高是58%,也就是說,很難高選擇性得到低碳烯烴產品。

我國煤資源豐富的地區,多為乾旱或半乾旱地區。水耗是制約煤化工發展的一大難題。

包信和帶著團隊另闢蹊徑,利用奈米介面限域概念,穩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;再利用奈米孔道限域作用,調變中間體小分子在分子篩中偶聯的選擇性,從而對目標產物的選擇性進行精準調控。

這種催化,實現了高活性和高選擇性的“雙贏”。

更讓人振奮的是,基於新概念的轉化路徑,可以實現低耗水進行煤轉化,為我國的能源革命提供支撐。

基於該項創新成果,通過與大連化物所劉中民院士團隊及陝西延長石油(集團)有限責任公司合作,世界首套千噸級規模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置已經建成,並於2020年成功完成工業全流程試驗,驗證了技術的可行性和先進性。

二十年堅守他們樂在其中,再冷的板凳也能焐熱

從發現現象到提出概念再到付諸應用,已經過了20多年。

包信和團隊始終堅守。“比如說合成氣高效直接轉化技術,確實是比較難的。但我們希望我們能有人做出來。”有一段時間,國內外有上百個研究團隊在做相關研究。

這一方向熱鬧過,也冷過。包信和有一句名言——只要方向對,再冷的板凳也能焐熱了。

怎麼堅持?

包信和倒是輕描淡寫:“反正我們乾的就是這個嘛,而且做的過程中也不斷有新的成果會出來,也是有樂趣。”

視訊製作:趙衛華 張蓋倫 侯萌

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和團隊成員交談,也能感到這種純粹的熱愛。

中科院大連化物所研究員鄧德會告訴科技日報記者,當你在追求科學真理,在為問題尋求解決方案時,根本不覺得自己是在“堅持”。“外人看我們很辛苦,但我們很開心啊。”他笑了。


中科院大連化物所研究員鄧德會

為了研究,他們經常凌晨從所裡打車回家,連計程車司機都感嘆他們加班得太晚。“但在我們看來,這不叫‘加班’。”中科院大連化物所研究員傅強說,不過就是全情投入,忘了時間。


中科院大連化物所研究員傅強(左一)

包信和團隊並不以“高產”著稱。他的要求是,實驗過程一定要嚴謹,結論一定要經得起推敲。在發表之前,他們會反覆驗證。團隊不求量,但求質;不求快,但求擲地有聲。

奈米限域催化,是中國科學家提出的原創性概念。它得到了成功實踐,也為催化劑設計走向精準建立了理論基礎。能有這種基礎研究層面的突破,包信和坦言——需要你腦子裡一直琢磨。

團隊成員、中科院大連化物所研究員潘秀蓮和包信和共事多年。她感嘆,包老師是一個純粹、謙遜和勤奮的人,他最大的愛好,就是科研。包信和現任中國科學技術大學校長,但他總會找時間和團隊討論科研。


中科院大連化物所研究員潘秀蓮

有時,新發現的“導火索”,確實來源於所謂的靈光一閃。但前提是,腦子裡有科學,沒那麼多雜念。

“要有原創性發現,你一開始就必須設定‘從0到1’的目標,要有‘詩和遠方’。而且,研究者要下功夫,一定要在研究一線,和團隊在一起,和學生在一起。”包信和曾在學生迅速翻頁的PPT報告裡找到線索,為研究又開啟新天地。如果不是一直琢磨,一直惦記,很多時候,一閃而過的現象,未必抓得住;對突然異常的數值,也未必能有敏感度。

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“腦子裡要有這件事。”包信和說,“就比如現在,我連睡覺的時候都在想,怎麼能把奈米限域催化講得更通俗。”

概念能不能上升為理論,能不能用更簡潔優美的數學公式表現,能不能在工業應用中得到驗證……前方還有長路。包信和說得誠懇:“我們現在就是研究到這個程度,也不要誇大。”

來源:科技日報 中科院大連化物所供圖(攝影:謝震霖)

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編輯:張爽

稽覈:嶽靚

終審:劉海英

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