探索催化“黑匣子”

——記國家自然科學獎一等獎“納米限域催化”獲獎項目團隊

本報記者 常 理

在現代化工中，大多數產品生產都與催化過程息息相關。但是，由于催化過程的復雜性，難以清晰認識其中催化的作用機理，一直被視為“黑匣子”。

日前，由中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員包信和帶領團隊提出的“納米限域催化”，為揭秘“黑匣子”提供了創新的理論支撐，榮獲國家自然科學獎一等獎。

改革開放后，我國經濟實力、科技實力逐步提升，對各領域高層次人才的需求更加迫切。剛過而立之年的包信和充滿斗志。我國是個貧油、少氣、富煤的國家，大量依賴進口石油生產液體燃料和化學品關系到國家能源安全。為了國家戰略需求，他瞄準了煤、天然氣等非石油資源高效清潔轉化，將研究方向鎖定在能源小分子轉化生產液體燃料和必需化學品領域，立志解密催化“黑匣子”。

2006年，包信和團隊在將三氧化二鐵納米粒子填充到碳納米管的過程中發現，碳納米管不但能限制納米粒子的尺寸，而且管內三氧化二鐵的還原溫度隨著管徑減小而降低，同時低于直接附著在管外的納米粒子，碳納米管內外的納米粒子活性存在較大的差別。

在經過周密的實驗設計和大量研究后，團隊發現，卷曲導致原本對稱分配在碳納米管兩側的電子云由管內向管外偏移，讓原本惰性碳層的電子結構發生畸變，在管內外形成電勢差，促進了管內納米粒子的還原，從而形成配位不飽和的金屬活性中心。

碳納米管獨特的納米級管腔結構及其電子限域環境，導致管內物質性質改變，甚至誘導管內物質產生新的特性。基于此，包信和團隊提出狹義的“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控體系，即“界面限域催化”概念，這二者共同構成了“納米限域催化”概念中狹義限域和廣義限域的兩個方面。

“精準調控化學反應過程一直是催化化學追求的目標，在當今能源高效轉化、資源優化利用及生態環境優化的需求推動下，需要催化過程更加溫和，催化反應更加精準和高效。”包信和說。

隨著納米限域催化概念的形成和完善，包信和團隊將界面限域與孔道限域耦合創立了OXZEO催化體系，實現了煤經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費托(FT)合成路線，省去了耗水、耗能的水煤氣變換和水—氫循環過程，并成功突破了目標產物選擇性理論極限。

“創新是一個漫長的過程，它需要建立在長期的積累和扎實的基礎之上。沒有前期大量的工作作為鋪墊，是無法實現突破的。”大連化物所研究員傅強對記者說。

“化學領域的創新往往要經過化工過程進入應用領域，作為科學家要有所發現，有所發明，有所創造。”中國科學院院士、北京化工大學應用化學系教授段雪說。包信和團隊自然也希望這項成果能夠產業化應用，服務國家化工行業。

基于該項創新成果，大連化物所與陜西延長石油(集團)有限責任公司合作，建設了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。2019年完成單反應器試車，2020年成功完成工業全流程試驗，進一步驗證了該技術路線的先進性和可行性。

“理論指導實踐，未來，基于納米限域催化概念，將有更多技術實現產業化應用，屆時將提高我國乃至全球的資源利用效率。”包信和說。