以“限制”寻求“突破”：团队坚守20年，实践催化原创新概念

2020年度国家自然科学奖一等奖颁给了由中国科学院包信和院士带领的中国科学院大连化学物理研究所(简称大连化物所)团队的“纳米限域催化”项目。

催化，即能改变化学反应速度的过程。研究催化，追求的是高活性和高选择性。但是，这两者在很多反应过程中是耦合在一起的——转化率高时，选择性就低了，两者经常产生矛盾。催化是化学工业中关键的核心技术，长期以来在国民经济的诸多方面，如石油炼制、合成化肥、合成纤维和汽车尾气处理等发挥了巨大的作用。

据科技日报消息，20世纪90年代，包信和从德国的马普研究所回到中科院大连化物所，一直带领团队从事纳米催化的基础和应用研究，追求着对催化过程的准确理解和对催化剂的理性设计。

团队先是发现了碳纳米管独特的限域特性——碳纳米管内铑锰催化剂催化合成气转化为乙醇等碳二含氧化合物的活性比管外更佳。

从现象挖掘本质，团队发现，除碳纳米管外，金属—氧化物界面也能稳定配位不饱和的活性中心。这是一种广义的限域，限制是一种电子状态，让催化剂始终保持“吃不饱”的状态，让催化反应能够持续进行下去——这被称作纳米界面限域。

团队基于纳米限域催化概念，实践应用于煤经合成气直接转化催化剂的设计，实现了高选择性一步反应获得低碳烯烃。

曾经，“费托合成”过程被奉为煤化工领域的“圣经”。这一反应从原理上涉及一个水循环：要用大量的水去制取更多氢气，同时反应还会产生废水。

包信和带着团队另辟蹊径，利用纳米界面限域概念，稳定氧化物催化剂表面配位不饱和的氧缺陷活性中心，提高合成气中一氧化碳解离和加氢形成中间体的活性；再利用纳米孔道限域作用，调变中间体小分子在分子筛中偶联的选择性，从而对目标产物的选择性进行精准调控。

这种催化，实现了高活性和高选择性的“双赢”。更让人振奋的是，基于新概念的转化路径，可以实现低耗水进行煤转化，为我国的能源革命提供支撑。

基于该项创新成果，通过与大连化物所刘中民院士团队及陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，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已经建成，并于2020年成功完成工业全流程试验，验证了技术的可行性和先进性。

从发现现象到提出概念再到付诸应用，已经过了20多年。包信和团队始终坚守，尽管这项技术是很困难的，但始终坚信团队能做出来。而最终，纳米限域催化这个概念成功得到实践，并且获得国家自然科学奖的荣耀。

前瞻经济学人APP资讯组