新華社北京11月4日電  題：解密“催化黑匣子”　科學(xué)家構(gòu)建“納米限域催化”概念獲2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

能源轉(zhuǎn)化、材料合成、環(huán)境保護(hù)……這些與人們息息相關(guān)的領(lǐng)域中，催化發(fā)揮著關(guān)鍵作用。催化科技的創(chuàng)新變革離不開(kāi)催化理論的突破和發(fā)展。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所包信和院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)20余年探索，系統(tǒng)創(chuàng)建了具有普適性的“納米限域催化”概念，打開(kāi)了一扇認(rèn)識(shí)催化過(guò)程、精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的大門(mén)。該成果榮獲2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

“納米限域催化”：有望成為解密“催化黑匣子”之鑰

可加速或減緩化學(xué)反應(yīng)速率，可減少化學(xué)反 應(yīng)“副產(chǎn)品”，可降低能源消耗……催化的“神奇”作用，使其成為化工生產(chǎn)中的關(guān)鍵角色。通過(guò)催化精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，是科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)追求的目標(biāo)。

然而在學(xué)術(shù)界，具體的催化過(guò)程、催化機(jī)理至今尚不明晰，長(zhǎng)期以來(lái)被視為“黑匣子”。解密這個(gè)“黑匣子”，才能創(chuàng)制出更加高效的催化劑，讓化學(xué)反應(yīng)更加節(jié)能環(huán)保、更加精準(zhǔn)高效。而“納米限域催化”有望成為解密“催化黑匣子”的一把鑰匙。包信和與研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，將催化劑置于碳納米管內(nèi)，會(huì)使其表現(xiàn)出更好的活性和性能。就像過(guò)于狹小的空間讓人緊張不安，空間限制也讓其內(nèi)的催化劑“活潑”起來(lái)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，除碳納米管外，金屬與氧化物界面形成的限域環(huán)境，也能穩(wěn)定配位不飽和金屬活性中心。在此基礎(chǔ)上，包信和與團(tuán)隊(duì)明確定義和系統(tǒng)創(chuàng)建了具有廣泛意義和普適性的“納米限域催化”概念。

　　目前，“納米限域催化”概念已在多個(gè)重要催化體系中得到驗(yàn)證，為精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的性能和反應(yīng)路徑打下了基礎(chǔ)，豐富和完善了催化基礎(chǔ)理論，相關(guān)領(lǐng)域已成為當(dāng)今催化基礎(chǔ)研究和應(yīng)用實(shí)踐的熱點(diǎn)之一。

　　從概念到應(yīng)用：原創(chuàng)成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力

　　在“納米限域催化”概念指導(dǎo)下，包信和與團(tuán)隊(duì)積極推動(dòng)研究成果走向應(yīng)用，多項(xiàng)代表性應(yīng)用成果已進(jìn)入工業(yè)試驗(yàn)階段。為以煤為原料獲得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴，包信和與團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了全新的催化體系，實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能、降低二氧化碳排放的同時(shí)，還通過(guò)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物選擇性的精準(zhǔn)調(diào)控，減少“副產(chǎn)品”，更高效率地獲取低碳烯烴。

　　而此前，國(guó)際上普遍采用20世紀(jì)20年代德國(guó)科學(xué)家發(fā)明的費(fèi)托合成技術(shù)，該過(guò)程能耗大、水耗高，且產(chǎn)物低碳烴（C2-C4）選擇性一直難以逾越58%的ASF理論極限。

　　包信和院士團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)技術(shù)，摒棄了傳統(tǒng)費(fèi)托合成路線，將“活化”與“偶聯(lián)”這兩個(gè)本該“一氣呵成”的過(guò)程分開(kāi)，利用“納米限域催化”相關(guān)理念，在提高反應(yīng)活性的同時(shí)，對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》2016年發(fā)表這一研究成果時(shí)，同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”為題的專家評(píng)述文章，認(rèn)為該技術(shù)未來(lái)在工業(yè)上將具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。

　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，建成世界首套千噸級(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，并成功完成了工業(yè)試驗(yàn)，催化劑性能和反應(yīng)過(guò)程的多項(xiàng)重要參數(shù)超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。“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)將有望提高我國(guó)乃至全球的資源利用效率。“甘坐冷板凳”：堅(jiān)守?fù)Q來(lái)“從0到1”的突破，搞基礎(chǔ)研究離不開(kāi)“甘坐冷板凳”的精神，要取得“從0到1”的原創(chuàng)性突破更是如此。

　　1995年，包信和響應(yīng)國(guó)家召喚，回到祖國(guó)，從此投身于煤、天然氣等非石油資源的高效清潔轉(zhuǎn)化研究。“就要瞄準(zhǔn)催化中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，解密‘催化黑匣子’，這是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。“一次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，但包信和院士總能敏銳地抓住，并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探索其科學(xué)本質(zhì)，這是源于科學(xué)家的敏銳直覺(jué)和長(zhǎng)期積累，也得益于團(tuán)隊(duì)成員的良好作風(fēng)和共同努力。“堅(jiān)持”至關(guān)重要，先要有量的積累，再有質(zhì)的跨越，最終實(shí)現(xiàn)“從0到1”的突破。“在‘納米限域催化’這條研究道路上，團(tuán)隊(duì)坐了20多年的‘冷板凳’。但只要方向?qū)Γ筒慌侣吠具b遠(yuǎn)；只要堅(jiān)持，再冷的板凳也能焐熱。