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科学家构建“纳米限域催化”概念获国家自然科学奖一等奖

21-11-07科技前沿围观24

简介

  题:解密“催化黑匣子” 科学家构建“纳米限域催化”概念获2020年度国家自然科学奖一等奖

  新华社记者张泉、王莹

  能源转化、材料合成、环境保护……这些与人们息息相关的领域中,催化发挥着关键作用。

  催化科技的创新变革离不开催化理论的突破和发展。中国科学院大连化学物理研究所包信和院士带领团队,经过20余年探索,系统创建了具有普适性的“纳米限域催化”概念,打开了一扇认识催化过程、精准调控化学反应的大门。该成果荣获2020年度国家自然科学奖一等奖。

  “纳米限域催化”:有望成为解密“催化黑匣子”之钥

  可加速或减缓化学反应速率,可减少化学反应“副产品”,可降低能源消耗……催化的“神奇”作用,使其成为化工生产中的关键角色。通过催化精准调控化学反应过程,是科学家们长期以来追求的目标。

  然而在学术界,具体的催化过程、催化机理至今尚不明晰,长期以来被视为“黑匣子”。解密这个“黑匣子”,才能创制出更加高效的催化剂,让化学反应更加节能环保、更加精准高效。而“纳米限域催化”有望成为解密“催化黑匣子”的一把钥匙。

  包信和与研究团队发现,将催化剂置于碳纳米管内,会使其表现出更好的活性和性能。就像过于狭小的空间让人紧张不安,空间限制也让其内的催化剂“活泼”起来。

  进一步研究发现,除碳纳米管外,金属与氧化物界面形成的限域环境,也能稳定配位不饱和金属活性中心。

  在此基础上,包信和与团队明确定义和系统创建了具有广泛意义和普适性的“纳米限域催化”概念。

  目前,“纳米限域催化”概念已在多个重要催化体系中得到验证,为精准调控化学反应的性能和反应路径打下了基础,丰富和完善了催化基础理论,相关领域已成为当今催化基础研究和应用实践的热点之一。

  从概念到应用:原创成果转化为产业竞争力

  在“纳米限域催化”概念指导下,包信和与团队积极推动研究成果走向应用,多项代表性应用成果已进入工业试验阶段。

  为以煤为原料获得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃,包信和与团队创立了全新的催化体系,实现节水节能、降低二氧化碳排放的同时,还通过对目标产物选择性的精准调控,减少“副产品”,更高效率地获取低碳烯烃。

  而此前,国际上普遍采用20世纪20年代德国科学家发明的费托合成技术,该过程能耗大、水耗高,且产物低碳烃(C2-C4)选择性一直难以逾越58%的ASF理论极限。

  包信和院士团队这项技术,摒弃了传统费托合成路线,将“活化”与“偶联”这两个本该“一气呵成”的过程分开,利用“纳米限域催化”相关理念,在提高反应活性的同时,对目标产物的选择性进行精准调控。

  国际学术期刊《科学》2016年发表这一研究成果时,同期刊发了以“令人惊奇的选择性”为题的专家评述文章,认为该技术未来在工业上将具有巨大的竞争力。


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