能源轉(zhuǎn)化、材料合成、環(huán)境保護……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)新變革離不開催化理論的突破和發(fā)展。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所包信和院士帶領(lǐng)團隊，經(jīng)過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，打開了一扇認識催化過程、精準調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的大門。該成果榮獲2020年度國家自然科學(xué)獎一等獎。

“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。通過催化精準調(diào)控化學(xué)反應(yīng)過程，是科學(xué)家們長期以來追求的目標。

然而在學(xué)術(shù)界，具體的催化過程、催化機理至今尚不明晰，長期以來被視為“黑匣子”。解密這個“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。

包信和與研究團隊發(fā)現(xiàn)，將催化劑置于碳納米管內(nèi)，會使其表現(xiàn)出更好的活性和性能。就像過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。

進一步研究發(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，包信和與團隊明確定義和系統(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”概念已在多個重要催化體系中得到驗證，為精準調(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)域已成為當今催化基礎(chǔ)研究和應(yīng)用實踐的熱點之一。

從概念到應(yīng)用：原創(chuàng)成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)競爭力

在“納米限域催化”概念指導(dǎo)下，包信和與團隊積極推動研究成果走向應(yīng)用，多項代表性應(yīng)用成果已進入工業(yè)試驗階段。

為以煤為原料獲得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴，包信和與團隊創(chuàng)立了全新的催化體系，實現(xiàn)節(jié)水節(jié)能、降低二氧化碳排放的同時，還通過對目標產(chǎn)物選擇性的精準調(diào)控，減少“副產(chǎn)品”，更高效率地獲取低碳烯烴。

而此前，國際上普遍采用20世紀20年代德國科學(xué)家發(fā)明的費托合成技術(shù)，該過程能耗大、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。

包信和院士團隊這項技術(shù)，摒棄了傳統(tǒng)費托合成路線，將“活化”與“偶聯(lián)”這兩個本該“一氣呵成”的過程分開，利用“納米限域催化”相關(guān)理念，在提高反應(yīng)活性的同時，對目標產(chǎn)物的選擇性進行精準調(diào)控。

國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》2016年發(fā)表這一研究成果時，同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”為題的..評述文章，認為該技術(shù)未來在工業(yè)上將具有巨大的競爭力。

基于該項創(chuàng)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(zé)任公司合作，建成世界首套千噸級規(guī)模的煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗裝置，并成功完成了工業(yè)試驗，催化劑性能和反應(yīng)過程的多項重要參數(shù)超過了設(shè)計指標。

“理論指導(dǎo)實踐，未來，基于‘納米限域催化’概念，將有更多技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，屆時將有望提高我國乃至全球的資源利用效率。”包信和說。

“甘坐冷板凳”：堅守換來“從0到1”的突破

搞基礎(chǔ)研究離不開“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)國家召喚，回到祖國，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。“就要瞄準催化中的關(guān)鍵科學(xué)問題，解密‘催化黑匣子’，這是國民經(jīng)濟發(fā)展的需要?！卑藕驼f。

20多年間，他始終堅持在科研一線。大多數(shù)時間里，他不在辦公室，就在實驗室，加班到深夜更是家常便飯?！半x開了實驗室和學(xué)生，離開了科研一線，想要取得原創(chuàng)性成果是不可能的。”包信和說。

“一次實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，但包信和院士總能敏銳地抓住，并通過大量的實驗驗證，探索其科學(xué)本質(zhì)，這是源于科學(xué)家的敏銳直覺和長期積累，也得益于團隊成員的良好作風(fēng)和共同努力。”大連化物所研究員傅強說，“堅持”至關(guān)重要，先要有量的積累，再有質(zhì)的跨越，.終實現(xiàn)“從0到1”的突破。

“在‘納米限域催化’這條研究道路上，團隊坐了20多年的‘冷板凳’。但只要方向?qū)?，就不怕路途遙遠;只要堅持，再冷的板凳也能焐熱。”包信和說。新華社北京11月4日電   記者張泉、王瑩

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