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探索催化“黑匣子”

admin2021-12-0119

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本报记者 常 理

在现代化工中,大多数产品生产都与催化过程息息相关。但是,由于催化过程的复杂性,难以清晰认识其中催化的作用机理,一直被视为“黑匣子”。

日前,由中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员包信和带领团队提出的“纳米限域催化”,为揭秘“黑匣子”提供了创新的理论支撑,荣获国家自然科学奖一等奖。

改革开放后,我国经济实力、科技实力逐步提升,对各领域高层次人才的需求更加迫切。刚过而立之年的包信和充满斗志。我国是个贫油、少气、富煤的国家,大量依赖进口石油生产液体燃料和化学品关系到国家能源安全。为了国家战略需求,他瞄准了煤、天然气等非石油资源高效清洁转化,将研究方向锁定在能源小分子转化生产液体燃料和必需化学品领域,立志解密催化“黑匣子”。

2006年,包信和团队在将三氧化二铁纳米粒子填充到碳纳米管的过程中发现,碳纳米管不但能限制纳米粒子的尺寸,而且管内三氧化二铁的还原温度随着管径减小而降低,同时低于直接附着在管外的纳米粒子,碳纳米管内外的纳米粒子活性存在较大的差别。

在经过周密的实验设计和大量研究后,团队发现,卷曲导致原本对称分配在碳纳米管两侧的电子云由管内向管外偏移,让原本惰性碳层的电子结构发生畸变,在管内外形成电势差,促进了管内纳米粒子的还原,从而形成配位不饱和的金属活性中心。

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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新的特性。基于此,包信和团队提出狭义的“限域催化”概念。之后,将该概念拓展至二维和界面相互作用的电子调控体系,即“界面限域催化”概念,这二者共同构成了“纳米限域催化”概念中狭义限域和广义限域的两个方面。

“精准调控化学反应过程一直是催化化学追求的目标,在当今能源高效转化、资源优化利用及生态环境优化的需求推动下,需要催化过程更加温和,催化反应更加精准和高效。”包信和说。

随着纳米限域催化概念的形成和完善,包信和团队将界面限域与孔道限域耦合创立了OXZEO催化体系,实现了煤经合成气一步高选择性直接制取乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烃,从原理上摒弃了传统费托(FT)合成路线,省去了耗水、耗能的水煤气变换和水—氢循环过程,并成功突破了目标产物选择性理论极限。

“创新是一个漫长的过程,它需要建立在长期的积累和扎实的基础之上。没有前期大量的工作作为铺垫,是无法实现突破的。”大连化物所研究员傅强对记者说。

“化学领域的创新往往要经过化工过程进入应用领域,作为科学家要有所发现,有所发明,有所创造。”中国科学院院士、北京化工大学应用化学系教授段雪说。包信和团队自然也希望这项成果能够产业化应用,服务国家化工行业。

基于该项创新成果,大连化物所与陕西延长石油(集团)有限责任公司合作,建设了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年完成单反应器试车,2020年成功完成工业全流程试验,进一步验证了该技术路线的先进性和可行性。

“理论指导实践,未来,基于纳米限域催化概念,将有更多技术实现产业化应用,届时将提高我国乃至全球的资源利用效率。”包信和说。

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