能源轉化、材料合成、環(huán)境保護……這些與人們息息相關(guān)的領(lǐng)域中，催化發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。

催化科技的創(chuàng )新變革離不開(kāi)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)團隊，經(jīng)過(guò)20余年探索，系統創(chuàng )建了具有普適性的“納米限域催化”概念，打開(kāi)了一扇認識催化過(guò)程、精準調控化學(xué)反應的大門(mén)。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)反應速率，可減少化學(xué)反應“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(guò)催化精準調控化學(xué)反應過(guò)程，是科學(xué)家們長(cháng)期以來(lái)追求的目標。

然而在學(xué)術(shù)界，具體的催化過(guò)程、催化機理至今尚不明晰，長(cháng)期以來(lái)被視為“黑匣子”。解密這個(gè)“黑匣子”，才能創(chuàng )制出更加高效的催化劑，讓化學(xué)反應更加節能環(huán)保、更加精準高效。而“納米限域催化”有望成為解密“催化黑匣子”的一把鑰匙。

包信和與研究團隊發(fā)現，將催化劑置于碳納米管內，會(huì )使其表現出更好的活性和性能。就像過(guò)于狹小的空間讓人緊張不安，空間限制也讓其內的催化劑“活潑”起來(lái)。

進(jìn)一步研究發(fā)現，除碳納米管外，金屬與氧化物界面形成的限域環(huán)境，也能穩定配位不飽和金屬活性中心。

在此基礎上，包信和與團隊明確定義和系統創(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(gè)重要催化體系中得到驗證，為精準調控化學(xué)反應的性能和反應路徑打下了基礎，豐富和完善了催化基礎理論，相關(guān)領(lǐng)域已成為當今催化基礎研究和應用實(shí)踐的熱點(diǎn)之一。

從概念到應用：原創(chuàng )成果轉化為產(chǎn)業(yè)競爭力

在“納米限域催化”概念指導下，包信和與團隊積極推動(dòng)研究成果走向應用，多項代表性應用成果已進(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，包信和與團隊創(chuàng )立了全新的催化體系，實(shí)現節水節能、降低二氧化碳排放的同時(shí)，還通過(guò)對目標產(chǎn)物選擇性的精準調控，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20年代德國科學(xué)家發(fā)明的費托合成技術(shù)，該過(guò)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。

包信和院士團隊這項技術(shù)，摒棄了傳統費托合成路線(xiàn)，將“活化”與“偶聯(lián)”這兩個(gè)本該“一氣呵成”的過(guò)程分開(kāi)，利用“納米限域催化”相關(guān)理念，在提高反應活性的同時(shí)，對目標產(chǎn)物的選擇性進(jìn)行精準調控。

國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》2016年發(fā)表這一研究成果時(shí)，同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”為題的..評述文章，認為該技術(shù)未來(lái)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(guò)與大連化物所劉中民院士團隊及陜西延長(cháng)石油(集團)有限責任公司合作，建成世界首套千噸級規模的煤經(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，催化劑性能和反應過(guò)程的多項重要參數超過(guò)了設計指標。

“理論指導實(shí)踐，未來(lái)，基于‘納米限域催化’概念，將有更多技術(shù)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化應用，屆時(shí)將有望提高我國乃至全球的資源利用效率?！卑藕驼f(shuō)。

“甘坐冷板凳”：堅守換來(lái)“從0到1”的突破

搞基礎研究離不開(kāi)“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化研究?！熬鸵闇蚀呋械年P(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，解密‘催化黑匣子’，這是國民經(jīng)濟發(fā)展的需要?！卑藕驼f(shuō)。

20多年間，他始終堅持在科研一線(xiàn)。大多數時(shí)間里，他不在辦公室，就在實(shí)驗室，加班到深夜更是家常便飯?！半x開(kāi)了實(shí)驗室和學(xué)生，離開(kāi)了科研一線(xiàn)，想要取得原創(chuàng )性成果是不可能的?！卑藕驼f(shuō)。

“一次實(shí)驗現象轉瞬即逝，但包信和院士總能敏銳地抓住，并通過(guò)大量的實(shí)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(jué)和長(cháng)期積累，也得益于團隊成員的良好作風(fēng)和共同努力?！贝筮B化物所研究員傅強說(shuō)，“堅持”至關(guān)重要，先要有量的積累，再有質(zhì)的跨越，.終實(shí)現“從0到1”的突破。

“在‘納米限域催化’這條研究道路上，團隊坐了20多年的‘冷板凳’。但只要方向對，就不怕路途遙遠;只要堅持，再冷的板凳也能焐熱?！卑藕驼f(shuō)。新華社北京11月4日電   記者張泉、王瑩

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