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焐熱“科研冷板凳” 解密“催化黑匣子”

所屬分類:時事聚焦    發(fā)布時間: 2021-11-05    作者:西安橡膠制品價格
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能源轉(zhuǎn)化、材料合成、環(huán)境保護(hù)……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(tuán)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(rèn)識催化過程、精準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)。

然而在學(xué)術(shù)界,具體的催化過程、催化機(jī)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(zhǔn)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(tuán)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(jìn)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(tuán)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(zhǔn)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(dāng)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(tuán)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(jìn)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(tuán)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(biāo)產(chǎn)物選擇性的精準(zhǔn)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(jì)20年代德國科學(xué)家發(fā)明的費(fèi)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(tuán)隊這項技術(shù),摒棄了傳統(tǒng)費(fèi)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(biāo)產(chǎn)物的選擇性進(jìn)行精準(zhǔn)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(rèn)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(tuán)隊及陜西延長石油(集團(tuán))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(biāo)。

“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?!卑藕驼f。

“甘坐冷板凳”:堅守?fù)Q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?!熬鸵闇?zhǔn)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(jì)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?!卑藕驼f。

“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(tuán)隊成員的良好作風(fēng)和共同努力。”大連化物所研究員傅強(qiáng)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(tuán)隊坐了20多年的‘冷板凳’。但只要方向?qū)?,就不怕路途遙遠(yuǎn);只要堅持,再冷的板凳也能焐熱?!卑藕驼f。新華社北京11月4日電   記者張泉、王瑩

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