【辽宁日报】国家自然科学奖一等奖 中科院大连化物所包信和团队 二十年磨一剑 摘取皇冠上的明珠

  来源:《辽宁日报》

  发布时间:2021-11-10

纳米限域催化研究团队成员(从左至右):邓德会、包信和、潘秀莲、傅强。 谢震霖 摄

  本报记者 杨丽娟

  国家自然科学奖一等奖,是中国自然科学领域原创性最强、科学价值最高的奖项,堪称“皇冠上的明珠”。中科院大连化学物理研究所“纳米限域催化”成果能够荣获2020年度国家自然科学奖一等奖,实属不易。

  这是中科院大连化物所包信和院士带领团队20多年潜心研究和实践的结果。“科学研究只要方向对,就不怕路途遥远。只要坚持,再冷的板凳也能焐热。”包信和如是说。

  解密催化“黑匣子”

  作为核心技术,催化在能源转化、材料合成、环境保护及生命健康等领域发挥着决定性作用,精准调控化学反应过程一直是催化化学追求的目标。长久以来,催化过程被视为“黑匣子”,只有揭开这个“黑匣子”的秘密,才能创制出高效、低排放的催化剂。

  1995年,远在德国的包信和响应国家的召唤,来到中国科学院大连化物所催化基础国家重点实验室,开始了解密催化“黑匣子”的探索。他带领团队瞄准煤、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。

  通过周密的实验设计和大量的探索,研究团队先后提出了“碳纳米管限域”和“界面限域催化”的概念。它们共同构成了“纳米限域催化”概念中狭义限域和广义限域的两个方面,为精准调控化学反应的性能和反应路径打下了坚实的基础,丰富和完善了催化基础理论,引领、推动了催化科学和技术的发展。

  创新链融入产业链

  低碳烯烃包括乙烯、丙烯、丁烯等,是重要的基础化学品。煤气化得到的合成气直接转化制备低碳烯烃,国际上普遍采用上世纪20年代德国科学家发明的费托合成技术,该过程水耗高、能耗大,且产物低碳烃选择性一直难以突破58%的ASF理论极限。

  包信和研究团队也一直在探索合成气直接转化制取烯烃更加高效的新方法。随着纳米孔道限域与界面限域概念的形成和完善,研究团队另辟蹊径,将一氧化碳/氢气活化与碳—碳键偶联的活性中心分开,让它们“各司其职”,实现催化过程中转化率和选择性的解耦。沿着这条思路,科研团队创制出一种新型复合双功能催化剂体系OXZEO,突破了近百年来传统费托合成产物分布难以逾越的ASF极限。

  2016年3月,《科学》杂志刊登了这一研究成果,并同期刊发了以《令人惊奇的选择性》为题的专家评述文章,认为未来该过程在工业上将具有巨大的竞争力。

  包信和院士团队成功拓展OXZEO催化剂设计思想,初步创建了煤经合成气转化新技术平台,完成了系列高值化学品和燃料的定向合成,包括烯烃、芳烃和汽油等。在中国科学院院士、时任所长张涛的推动下,包信和、潘秀莲领导的基础研究团队与中国工程院院士、大连化物所所长刘中民带领的应用开发研究团队通力合作,很快完成了该成果的实验室验证。而后,大连化物所与陕西延长石油(集团)有限责任公司合作,建立了世界首套基于该项创新成果的千吨级规模的煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置,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。该技术应用前景广阔,合成气制烯烃的催化体系也有望拓展到制芳烃、汽油等领域。

  “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,届时将有望提高我国乃至全球的资源利用效率。”包信和说。

  从0到1的突破

  “创新建立在长期的积累和扎实的基础之上,有传承才能有创新,先要有量的积累,再有质的跨越,最终实现从0到1的突破。这个过程中坚持非常重要。”回顾研究历程,大连化物所研究员傅强深有感触。

  团队成员、大连化物所研究员潘秀莲说,早在2007年,研究团队就提出采用双功能耦合催化剂体系,探索合成气一步制烯烃的构想。长期以来,研究结果一直在不断优化和进步,“直到积累了大量理论基础后,才发现活性中心间的距离对双功能耦合催化体系至关重要,‘距离’的确能产生‘美’”。潘秀莲说。

  20多年间,团队带头人包信和始终坚持在科研一线,他能够敏锐地抓住一个或几个稍纵即逝的实验现象,通过大量的实验验证,探索其科学本质,这既源于科学家的敏锐直觉和长期积累,也得益于该团队严格执行实验记录规范制度。实验中,包信和带领团队严格要求,真实、准确记录实验目的、实验条件、所用试剂、实验现象、表征和反应结果等信息,保证每个实验数据的真实性、可追溯性和可重复性。团队成员、师从包信和的邓德会研究员说:“每次有困惑我都去找包老师,他不在办公室就在实验室。包老师不仅能敏锐地发现问题,而且能立即给我指出下一步的研究方向。”在这样的科研氛围中,邓德会成长迅速,博士毕业后留所工作,并成立独立创新组从事贵金属替代的纳米催化剂相关研究。

  20多年来,该实验室共培养博士研究生125人、硕士研究生14人、博士后40余人,多人已成长为催化领域的优秀人才。

  现如今,“纳米限域催化”已成为催化领域中的一个重要概念,发表的相关研究论文他引已经超过3万次,8篇代表性论文被引累计近4000次,来自不同国家的众多理论和实验研究团队跟随开展限域催化相关的研究工作。

  昔日的冷板凳越焐越热。

  以下是该媒体报道地址:http://epaper.lnd.com.cn/lnrbepaper/pc/layout/202111/10/node_04.html

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