国家自然科学奖一等奖项目“纳米限域催化” 化学反应过程，这样精准调控

　　包信和(左二)与团队成员在实验室。谢震霖摄

　　编者按：中共中央、国务院日前在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。2020年度国家科学技术奖共评选出264个项目、10名科技专家和1个国际组织，我们从中选取了两项国家自然科学奖一等奖和一项国家技术发明奖，报道这些获奖项目取得的重要突破，展示科研人员自立自强、勇攀科技高峰的风采，敬请关注。

　　怎样精准设计催化剂，让催化反应更高效?如何用更加高效、低碳的方式，从煤中获得烯烃和芳烃等化工原料?随着“纳米限域催化”概念的提出，我们向解决这些困扰化学家的科学难题迈进了一大步。

　　“纳米限域催化”是中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)包信和院士带领团队，历经20余年的研究结晶。凭借对催化理论发展的重要贡献，该成果成为荣获2020年度国家自然科学奖一等奖的两个项目之一。

　　创立“纳米限域催化”概念，为催化剂精准设计打开一扇窗

　　催化在自然界普遍存在。2000多年前，中国人就懂得用酒曲(生物酶催化剂)酿酒。现代化工产品生产更加离不开催化，比如，氮和氢在高温高压和催化剂下合成的氨，是化肥工业和基本有机化工的主要原料。然而，催化反应发生的过程和催化作用机理长期以来一直被视为“黑匣子”。

　　揭示催化过程，有助于为精准设计催化剂提供理论支撑，从而帮助科学家实现梦寐以求的目标：精准调控化学反应过程。

　　在催化反应过程中，反应物分子一般要与催化剂发生化学作用。为获得更好的催化效果，在很长一段时间里，科学家依靠实验试错的方式探索催化剂。这就像炒菜，咸了加水、淡了加盐，最终选择一种较好的方案。至于原料是怎样变成产品的，往往只能依靠逻辑推理来想象。

　　随着研究的深入，科学家发现，在原子层面，催化剂表面电子排列不同，反应就可能不一样。于是，科学家试图通过表面结构调控的方法，来理解催化机理，设计所需要的催化剂，进而精准控制催化反应过程。

　　历经多年研究和实践，借助纳米尺度的空间限域效应，包信和研究团队对体系电子能态进行调变，实现了对催化性能的精准调控，提出狭义的“限域催化”概念。之后，他们将该概念拓展至二维和界面相互作用的电子调控体系，定义和创建了具有广泛意义和普适性的“纳米限域催化”概念，这为精准调控化学反应的性能和反应路径打下了坚实基础。

　　如今，“纳米限域催化”成为催化研究的热点，包信和团队发表的相关研究论文他引超过3万次，许多国际团队跟随开展研究，并在催化选择氧化和高效加氢等多个重要催化体系中得到验证。

　　摒弃传统的技术路线，实现了高选择性一步制取低碳烯烃

　　在“纳米限域催化”概念指导下，包信和团队的一些成果从实验室走向工业试验。比如，近百年来，以煤为原料直接获得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃，国际上普遍采用费托合成技术。该技术首先让煤气化形成合成气，在适当条件和催化剂的作用下，再进一步合成碳氢化合物。受限于催化作用原理，低碳烃选择性理论极限为58%。同时为了满足加氢脱氧反应的需要，工艺上要通过耗水、耗能的水煤气变换过程制备氢，这一过程还放出大量二氧化碳。

　　从“纳米限域催化”概念出发，包信和团队另辟蹊径，将控制反应活性和产物选择性的两类催化活性实现解耦，创制了一种新型复合的双功能催化剂体系。这样一来，他们从原理上摒弃传统费托合成路线，实现了高选择性一步制取低碳烯烃。

　　基于该创新成果，包信和团队与大连化物所刘中民院士团队以及陕西延长石油(集团)有限责任公司合作，建成世界首套千吨级规模的煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置。2019年，该装置完成单反应器试车，一氧化碳单程转化率超过50%，低碳烯烃选择性优于75%，多项重要参数超过设计指标。2020年成功完成全流程试验，进一步验证了该技术路线的先进性和可行性。

　　了解包信和团队制取低碳烯烃的思路后，德国一家著名跨国化学公司的一位资深专家说：“这个点子为什么我们没先想到?”包信和回答说：“你们想到的点子蛮多了，也该轮到我们了。”

　　包信和的底气来自于团队长期的原创积累。“包老师对研究课题的要求很高。他一直强调，想要获得学术界认可，就要做那些独一无二的工作。”包信和团队成员、大连化物所研究员潘秀莲告诉记者。

　　20多年潜心研究，实现从“0”到“1”关键跨越

　　1995年，从德国学成归国后，包信和加入大连化物所，研究如何利用煤炭转化制备化学品。从一开始他就瞄准催化中的关键科学问题——解密催化的“黑匣子”。

　　包信和团队在“纳米限域催化”领域耕耘了20多年。他说，大的“0”到“1”突破，往往是由许多小的“0”到“1”的研究积累起来的。不论大小，心里一定要有做原始创新的梦想，即使最终达不到预期，哪怕只是往前推动一点点，积累起来也会有巨大的进展。

　　2006年，在将纳米粒子填充到碳纳米管的过程中，研究团队发现，碳纳米管内外的纳米粒子活性存在较大差别。这一现象引起包信和的注意，他通过大量研究发现：碳纳米管独特的纳米级管腔结构及其电子限域环境，导致管内物质性质改变，甚至诱导管内物质产生了新的特性。基于系统的基础研究，包信和提出了“碳纳米管限域”的概念，研究视野就此打开。

　　“天上掉馅饼，我们也要接得住。”包信和说，一次实验现象转瞬即逝，只有脑中一刻不停地在琢磨，才可能敏锐意识到其中的科学问题。

　　纵观研究历程，许多发现偶然中有必然。一名学生在做制备烯烃的交流展示时，一个实验数据中烯烃的选择性超过70%，该数据给包信和留下了深刻的印象。因为按照传统理论，选择性不可能这么高。于是，请学生重复实验，确认实验操作无误、数据可靠后，包信和判断这方面值得深入研究。一次次的实验后，他们发现了其中的奥秘，抓住了影响合成气直接制成低碳烯烃选择性的关键，并取得了突破性进展。这些工作进一步推动了团队对纳米限域催化原理的认识。

　　“做好研究，导师要与学生在一起，坚持到研究第一线。”包信和认为。在大连化物所，他的办公室就在实验室，当上研究所所长后也是如此。团队成员邓德会2007年从四川大学本科毕业后，进入大连化物所，师从包信和从事催化相关研究。他热爱钻研，有困惑总能很快找到老师、得到解答，这让他在短短数年内快速成长。

　　“学生知识积累不够，但通常最了解实验的细节。老师不到一线和学生讨论，就不能发现、提炼问题，真正做出原创成果。”包信和说。

　　包信和团队成员、大连化物所研究员傅强告诉记者，有时候，包老师在实验室的时间比学生还长。“经常晚上10点了，还在与我们探讨当天的实验。”

　　尽管“纳米限域催化”解释了很多催化现象，也在高效催化剂的设计研制中得到了很好的验证，但包信和表示，该概念成为成熟的普适理论还需要做大量的工作，揭开催化的“黑匣子”仍然任重道远。他希望，未来通过深入系统研究，将该概念进一步完善，使其更加公式化，从而在精准设计催化剂上更具有普遍意义的指导价值。