中青報·中青網記者 邱晨輝
在現代化學工業中，大多數產品生產都與催化過程息息相關。但長久以來，催化過程被視為科研領域的“黑匣子”，很少有人知道這個過程究竟發生了什麼。
中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）包信和院士帶領團隊，在催化基礎研究和應用領域耕耘20餘載，提出了納米限域催化等新概念，揭示了這個“黑匣子”的奧秘。11月3日，在2020年度國家科學技術獎勵大會上，包信和等人完成的這一重大成果，斬獲了我國自然科學領域的最高獎項——國家自然科學一等獎。
“在奈米催化這條研究道路上，團隊已經坐了20多年的冷板凳，堅持了20多年。但團隊始終相信，科學研究只要方向對，就不怕路途遙遠。只要堅持，再冷的板凳也能焐熱。”包信和說。
從現象到理論
改革開放後，國家經濟實力、科技實力逐步提升。1995年，包信和完成了在德國馬普研究所近6年的合作研究，來到大連化物所催化基礎國家重點實驗室，揚起了催化基礎和應用研究的風帆。
包信和告訴記者，作為改革開放後新一代的歸國科研人員，國內的科研環境和條件已大大改善，“研究就是要瞄準催化中的關鍵科學問題，‘解密催化黑匣子’，做有意義的研究課題，服務國民經濟發展的需要。”
能源小分子的轉化，離不開催化劑。
包信和介紹，活性金屬，如鐵、鈷、鎳等都是常用的金屬催化劑，但活性金屬特別是奈米催化劑，在實際反應過程中往往面臨活性物種化學價態難以控制、催化效能難以調控等難題。
2006年，研究團隊發現，碳奈米管不但能限制奈米粒子的尺寸，還能穩定配位不飽和的還原態金屬物種。這些導致碳奈米管內外的奈米粒子活性有較大的差別。
這一現象引起了包信和的關注。
一次實驗現象轉瞬即逝，但包信和能夠敏銳地抓住一個或幾個稍縱即逝的實驗現象，透過大量的實驗驗證，探索其科學本質，這是源於科學家的敏銳直覺和長期積累，也得益於該團隊嚴格執行實驗記錄規範制度。
2007年，在合成氣制乙醇等碳二含氧化物的實驗中，該團隊發現，碳奈米管內銠錳催化劑的活性比管外更佳，表現出更好的效能。
“這就像過於狹小的空間讓人緊張不安一樣，空間限制也讓其內的金屬催化劑‘活潑’起來。”大連化物所研究員潘秀蓮說。
基於此，包信和提出了“碳奈米管限域”的概念。
大連化物所研究員傅強介紹，金屬與氧化物介面形成的限域環境，對氧化物的結構和化學狀態提供了約束作用，也能穩定配位不飽和金屬活性中心。
從現象挖掘本質，研究團隊提出了“介面限域催化”的概念。“碳奈米管限域”與“介面限域催化”共同構成了“奈米限域催化”概念中狹義限域和廣義限域的兩個方面。
從概念到應用
包信和告訴記者，近百年來，為了以煤為原料獲得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴，國際上普遍採用20世紀20年代德國科學家發明的費託合成技術。該技術首先讓煤氣化形成合成氣，在適當條件和催化劑的作用下，再合成低碳烯烴或其他碳氫化合物。
他說，整個過程需要透過水煤氣變換過程製備大量氫氣來調節所需要的氫碳比例，水耗高、能耗大，在獲得氫氣的同時放出二氧化碳，而且產物低碳烴選擇性一直難以突破產物低碳烯烴選擇性58%的ASF理論極限。
包信和研究團隊也一直在探索提高合成氣製取烯烴轉化效率、簡化製取步驟的新方法。
隨著奈米限域及介面限域概念的形成和完善，研究團隊另闢蹊徑，將一氧化碳/氫氣活化與碳—碳鍵偶聯的活性中心分開，讓它們“各司其職”，實現催化過程中轉化率和選擇性的解耦。
沿著這條思路，研究團隊將控制反應活性和產物選擇性的兩類催化活性中心分開，創制出一種新型複合的雙功能催化劑體系。
實驗結果令人十分振奮，沒想到思路的轉變，幫研究團隊捅破了“窗戶紙”，解決了一直困擾他們的問題。瓶頸突破之後，結果便水到渠成。
2016年3月，《科學》雜誌刊登了這一研究成果，並同期刊發了以“令人驚奇的選擇性”為題的專家評述文章，認為未來該過程在工業上將具有巨大的競爭力。
這項技術的創新之處在於將“活化”與“偶聯”這兩個本該“一氣呵成”的過程分開。
當從事相關研究20多年的德國一跨國公司資深研究人員瞭解到該研究後，稍顯沮喪地說：“這個點子為什麼不是我們先想到的？”
包信和不無自豪地回答道：“你們想到的點子已經很多了，也該輪到我們了。”說這話的底氣來自研究團隊長期的堅守和中國日益提高的科技研究能力的支撐。
其實，早在2007年，研究團隊就提出採用雙功能耦合催化劑體系，探索合成氣一步制烯烴的構想。長期以來，研究結果一直在不斷最佳化和進步。
“直到積累了大量理論基礎後，才發現活性中心間的距離對雙功能耦合催化體系至關重要，‘距離’的確能產生‘美’。”潘秀蓮說。
“與追求催化效率數字提升不同，包信和老師非常注重現象背後的機理。他要求研究團隊先搞清楚機理，對基礎深入理解更有利於改進催化劑，提高催化效率。”大連化物所副研究員焦峰說，“經常晚上10點左右包信和老師還要找我探討當天的實驗情況，分析現象背後的原因。”
回顧研究歷程，傅強感慨，創新建立在長期的積累和紮實的基礎之上，有傳承才能有創新，先要有量的積累，再有質的跨越，最終實現從0到1的突破。這個過程中“堅持”非常重要。
實驗室優異的催化效果也讓研究團隊動了產業化的心思。
包信和、潘秀蓮領導的基礎研究團隊與中國工程院院士、大連化物所所長劉中民帶領的應用開發研究團隊通力合作，很快完成了該成果的實驗室驗證，與陝西延長石油（集團）有限責任公司合作，建設了世界上首套基於該項創新成果的千噸級規模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置。該裝置於2019年完成單反應器試車，催化劑效能和反應過程的多項重要引數超過設計指標，總體效能優於實驗室水平。
“理論指導實踐，未來，基於奈米限域催化概念，將有更多技術實現產業化應用，屆時將有望提高我國乃至全球的資源利用效率。”包信和說。
從小成果到大催化
一流的成果源自一流的團隊。
“奈米限域催化概念及其產業化嘗試需要多個研究團隊、上百位研究人員的團結協作，任何一環出現短板或鬆懈都無法達到今天的效果。”包信和說，“一直以來，研究團隊都非常重視人才培養和學風道德建設。”
學術帶頭人或導師的辦公室往往跟團隊成員和學生在一起，以方便交流討論。包信和尤其重視科研骨幹的工作研討，定期組織討論已成常態。
與他共事20多年的大連化物所研究員韓秀文說，“包信和鼓勵大家暢所欲言，現在我們常常回憶起那些重要的討論。”
大連化物所研究員鄧德會是這些研討會的“常客”，自2007年四川大學本科畢業後，便進入大連化物所進行碩博階段的學習，師從包信和，從事催化相關研究。
“每次有困惑我都去找包老師，他不在辦公室就在實驗室。”鄧德會說，“這個團隊有一條鐵一樣的紀律，那就是‘不允許任何不正之風’，任何人都不能跨越。”
實驗室也對研究課題提出嚴格要求。
不管是新生來所、導師報告，還是開題報告、骨幹討論會，抑或是年終總結大會上，包信和在幾乎所有重要的場合都會強調一句話：“你做的工作要得到國內外科技界認可，一提到某項工作，大家就知道是你做的。”
包信和為年輕導師的發展創造了許多良好的條件，比如專案、經費、裝置和學生等。包信和還會定期召集團隊成員，討論每個人的發展規劃。這也造就了團隊和諧、團結的氛圍，培養出一批心無旁騖的“技術宅”。
傅強、潘秀蓮、鄧德會都是其中的典型代表。
韓秀文對鄧德會印象深刻，“鄧德會對研究一直很痴迷，幾乎所有時間都撲在實驗室，為此受了不少‘批評’。”
她告訴記者，科研潛力大、有幹勁的年輕科研人員是棵好苗子，但也擔心他們步子太快而在科研上出現重大紕漏，因此對於這樣的年輕人往往採用“響鼓也需重錘敲”的策略。
“當時，往往包信和老師批評完我，韓秀文老師還要與我談心。”鄧德會說，“現在回想起來，這些教誨就是我成長的催化劑，每當跟當年的同學聊起來，大家都非常感激這個團隊和老師們。”
受到“重錘敲打”的鄧德會成長迅速，博士畢業後留所繼續做科研，併成立創新組、組建團隊，從事貴金屬替代的奈米催化劑相關研究。
鄧德會說，“我自己帶隊伍後，也鼓勵開討論會，讓大家暢所欲言，這些都深受包信和老師的影響。”
20多年來，包信和所在的實驗室，共培養博士研究生125人、碩士研究生14人、博士後40餘人，多人已成長為催化領域的優秀人才。
如今，“奈米限域催化”已成為催化領域中的一個重要概念，發表的相關研究論文他引已經超過3萬次，8篇代表性論文被引累計近4000次，來自不同國家的眾多理論和實驗研究團隊跟隨開展限域催化相關的系統研究。昔日的“冷板凳”，已經越焐越熱。
來源：中國青年報客戶端
