以限制求突破 他們用20年提出催化原創(chuàng)新概念
以限制求突破 他們用20年提出催化原創(chuàng)新概念
——記國家自然科學(xué)獎一等獎納米限域催化
“我一直在想，怎么把我們的研究給大家說清楚�！苯邮苊襟w采訪之前，包信和院士顯得還有些苦惱，這位大科學(xué)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，你們盡管問�！�
此次，以中國科學(xué)院院士包信和等人為主要完成人的中科院大連化學(xué)物理研究所團(tuán)隊因納米限域催化獲得2020年度國家自然科學(xué)獎一等獎。
這是一趟持續(xù)二十多年的科學(xué)求索旅程。成功的關(guān)鍵之一，包信和說得樸實：你要下功夫，腦子里要一直琢磨。
一個原創(chuàng)概念 一條煤化工新路徑
納米限域催化，乍聽確實艱深晦澀。
包信和展示了兩張圖。一張圖，是關(guān)在籠子里的猛獸。“哪里有壓迫，哪里就有反抗�！北魂P(guān)起來的猛獸，總會比較暴躁。
第二張圖，是乒乓球。把乒乓球拍壓向球臺，當(dāng)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(xué)術(shù)的詞，叫“限域”。
催化，能改變化學(xué)反應(yīng)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(yīng)過程中是耦合在一起的——轉(zhuǎn)化率高時，選擇性就低了，常常是一對矛盾。
20世紀(jì)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(lǐng)團(tuán)隊從事納米催化的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，追求著對催化過程的準(zhǔn)確理解和對催化劑的理性設(shè)計。
團(tuán)隊先是發(fā)現(xiàn)了碳納米管獨特的限域特性——碳納米管內(nèi)銠錳催化劑催化合成氣轉(zhuǎn)化為乙醇等碳二含氧化合物的活性比管外更佳。
從現(xiàn)象挖掘本質(zhì)，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，除碳納米管外，金屬—氧化物界面也能穩(wěn)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(tài)，讓催化劑始終保持“吃不飽”的狀態(tài)，讓催化反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行下去——這被稱作納米界面限域。
團(tuán)隊基于納米限域催化概念，實踐應(yīng)用于煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計，實現(xiàn)了高選擇性一步反應(yīng)獲得低碳烯烴。
曾經(jīng)，“費(fèi)托合成”過程被奉為煤化工領(lǐng)域的“圣經(jīng)”。要想把煤轉(zhuǎn)化為液體燃料和其他化學(xué)品，費(fèi)托反應(yīng)是大家的不二選擇。這一反應(yīng)從原理上涉及一個水循環(huán)：要用大量的水去制取更多氫氣，同時反應(yīng)還會產(chǎn)生廢水。
而且，傳統(tǒng)費(fèi)托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(chǎn)品。
我國煤資源豐富的地區(qū)，多為干旱或半干旱地區(qū)。水耗是制約煤化工發(fā)展的一大難題。
包信和帶著團(tuán)隊另辟蹊徑，利用納米界面限域概念，穩(wěn)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(diào)變中間體小分子在分子篩中偶聯(lián)的選擇性，從而對目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。
這種催化，實現(xiàn)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(zhuǎn)化路徑，可以實現(xiàn)低耗水進(jìn)行煤轉(zhuǎn)化，為我國的能源革命提供支撐。
基于該項創(chuàng)新成果，通過與大連化物所劉中民院士團(tuán)隊及陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司合作，世界首套千噸級規(guī)模的煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗裝置已經(jīng)建成，并于2020年成功完成工業(yè)全流程試驗，驗證了技術(shù)的可行性和先進(jìn)性。
二十年堅守 他們樂在其中 把冷板凳焐熱
從發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象到提出概念再到付諸應(yīng)用，已經(jīng)過了20多年。
包信和團(tuán)隊始終堅守�！氨热缯f合成氣高效直接轉(zhuǎn)化技術(shù)，確實是比較難的。但我們希望我們能有人做出來�！庇幸欢螘r間，國內(nèi)外有上百個研究團(tuán)隊在做相關(guān)研究。
這一方向熱鬧過，也冷過。包信和有一句名言——只要方向?qū)Γ倮涞陌宓室材莒蔁崃恕?/p>
怎么堅持？
包信和倒是輕描淡寫：“反正我們干的就是這個嘛，而且做的過程中也不斷有新的成果會出來，也是有樂趣�！�
和團(tuán)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(dāng)你在追求科學(xué)真理，在為問題尋求解決方案時，根本不覺得自己是在“堅持”�！巴馊丝次覀兒苄量啵覀兒荛_心啊�！彼α�。
為了研究，他們經(jīng)常凌晨從所里打車回家，連出租車司機(jī)都感嘆他們加班得太晚�！暗谖覀兛磥�，這不叫‘加班’�！敝锌圃捍筮B化物所研究員傅強(qiáng)說，不過就是全情投入，忘了時間。
包信和團(tuán)隊并不以“高產(chǎn)”著稱。他的要求是，實驗過程一定要嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)論一定要經(jīng)得起推敲。在發(fā)表之前，他們會反復(fù)驗證。團(tuán)隊不求量，但求質(zhì)；不求快，但求擲地有聲。
納米限域催化，是中國科學(xué)家提出的原創(chuàng)性概念。它得到了成功實踐，也為催化劑設(shè)計走向精準(zhǔn)建立了理論基礎(chǔ)。能有這種基礎(chǔ)研究層面的突破，包信和坦言——需要你腦子里一直琢磨。
團(tuán)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(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長，但他總會找時間和團(tuán)隊討論科研。
有時，新發(fā)現(xiàn)的“導(dǎo)火索”，確實來源于所謂的靈光一閃。但前提是，腦子里有科學(xué)，沒那么多雜念。
“要有原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，你一開始就必須設(shè)置‘從0到1’的目標(biāo)，要有‘詩和遠(yuǎn)方’。而且，研究者要下功夫，一定要在研究一線，和團(tuán)隊在一起，和學(xué)生在一起�！卑藕驮趯W(xué)生迅速翻頁的PPT報告里找到線索，為研究又打開新天地。如果不是一直琢磨，一直惦記，很多時候，一閃而過的現(xiàn)象，未必抓得�。粚ν蝗划惓５臄�(shù)值，也未必能有敏感度。
“腦子里要有這件事�！卑藕驼f，“就比如現(xiàn)在，我連睡覺的時候都在想，怎么能把納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(yōu)美的數(shù)學(xué)公式表現(xiàn)，能不能在工業(yè)應(yīng)用中得到驗證……前方還有長路。包信和說得誠懇：“我們現(xiàn)在就是研究到這個程度，也不要夸大�！�
