以“限制”尋求“突破”：團隊堅守20年，實踐催化原創新概念

2020年度國家自然科學獎一等獎頒給了由中國科學院包信和院士帶領的中國科學院大連化學物理研究所(簡稱大連化物所)團隊的“納米限域催化”項目。

催化，即能改變化學反應速度的過程。研究催化，追求的是高活性和高選擇性。但是，這兩者在很多反應過程中是耦合在一起的——轉化率高時，選擇性就低了，兩者經常產生矛盾。催化是化學工業中關鍵的核心技術，長期以來在國民經濟的諸多方面，如石油煉制、合成化肥、合成纖維和汽車尾氣處理等發揮了巨大的作用。

據科技日報消息，20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，一直帶領團隊從事納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。

團隊先是發現了碳納米管獨特的限域特性——碳納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，除碳納米管外，金屬—氧化物界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——這被稱作納米界面限域。

團隊基于納米限域催化概念，實踐應用于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，“費托合成”過程被奉為煤化工領域的“圣經”。這一反應從原理上涉及一個水循環：要用大量的水去制取更多氫氣，同時反應還會產生廢水。

包信和帶著團隊另辟蹊徑，利用納米界面限域概念，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；再利用納米孔道限域作用，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，基于新概念的轉化路徑，可以實現低耗水進行煤轉化，為我國的能源革命提供支撐。

基于該項創新成果，通過與大連化物所劉中民院士團隊及陜西延長石油（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，并于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。

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，盡管這項技術是很困難的，但始終堅信團隊能做出來。而最終，納米限域催化這個概念成功得到實踐，并且獲得國家自然科學獎的榮耀。

前瞻經濟學人APP資訊組

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