解密催化“黑匣子”

中青报·中青网记者 邱晨辉

在现代化学工业中，大多数产品生产都与催化过程息息相关。但长久以来，催化过程被视为科研领域的“黑匣子”，很少有人知道这个过程究竟发生了什么。

中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）包信和院士带领团队，在催化基础研究和应用领域耕耘20余载，提出了纳米限域催化等新概念，揭示了这个“黑匣子”的奥秘。11月3日，在2020年度国家科学技术奖励大会上，包信和等人完成的这一重大成果，斩获了我国自然科学领域的最高奖项——国家自然科学一等奖。

“在纳米催化这条研究道路上，团队已经坐了20多年的冷板凳，坚持了20多年。但团队始终相信，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。”包信和说。

从现象到理论

改革开放后，国家经济实力、科技实力逐步提升。1995年，包信和完成了在德国马普研究所近6年的合作研究，来到大连化物所催化基础国家重点实验室，扬起了催化基础和应用研究的风帆。

包信和告诉记者，作为改革开放后新一代的归国科研人员，国内的科研环境和条件已大大改善，“研究就是要瞄准催化中的关键科学问题，‘解密催化黑匣子’，做有意义的研究课题，服务国民经济发展的需要。”

能源小分子的转化，离不开催化剂。

包信和介绍，活性金属，如铁、钴、镍等都是常用的金属催化剂，但活性金属特别是纳米催化剂，在实际反应过程中往往面临活性物种化学价态难以控制、催化性能难以调控等难题。

2006年，研究团队发现，碳纳米管不但能限制纳米粒子的尺寸，还能稳定配位不饱和的还原态金属物种。这些导致碳纳米管内外的纳米粒子活性有较大的差别。

这一现象引起了包信和的关注。

一次实验现象转瞬即逝，但包信和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，这是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。

2007年，在合成气制乙醇等碳二含氧化物的实验中，该团队发现，碳纳米管内铑锰催化剂的活性比管外更佳，表现出更好的性能。

“这就像过于狭小的空间让人紧张不安一样，空间限制也让其内的金属催化剂‘活泼’起来。”大连化物所研究员潘秀莲说。

基于此，包信和提出了“碳纳米管限域”的概念。

大连化物所研究员傅强介绍，金属与氧化物界面形成的限域环境，对氧化物的结构和化学状态提供了约束作用，也能稳定配位不饱和金属活性中心。

从现象挖掘本质，研究团队提出了“界面限域催化”的概念。“碳纳米管限域”与“界面限域催化”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。

从概念到应用

包信和告诉记者，近百年来，为了以煤为原料获得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃，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。该技术首先让煤气化形成合成气，在适当条件和催化剂的作用下，再合成低碳烯烃或其他碳氢化合物。

他说，整个过程需要通过水煤气变换过程制备大量氢气来调节所需要的氢碳比例，水耗高、能耗大，在获得氢气的同时放出二氧化碳，而且产物低碳烃选择性一直难以突破产物低碳烯烃选择性58%的ASF理论极限。

包信和研究团队也一直在探索提高合成气制取烯烃转化效率、简化制取步骤的新方法。

随着纳米限域及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，研究团队将控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心分开，创制出一种新型复合的双功能催化剂体系。

实验结果令人十分振奋，没想到思路的转变，帮研究团队捅破了“窗户纸”，解决了一直困扰他们的问题。瓶颈突破之后，结果便水到渠成。

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。

这项技术的创新之处在于将“活化”与“偶联”这两个本该“一气呵成”的过程分开。

当从事相关研究20多年的德国一跨国公司资深研究人员了解到该研究后，稍显沮丧地说：“这个点子为什么不是我们先想到的？”

包信和不无自豪地回答道：“你们想到的点子已经很多了，也该轮到我们了。”说这话的底气来自研究团队长期的坚守和中国日益提高的科技研究能力的支撑。

其实，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。

“与追求催化效率数字提升不同，包信和老师非常注重现象背后的机理。他要求研究团队先搞清楚机理，对基础深入理解更有利于改进催化剂，提高催化效率。”大连化物所副研究员焦峰说，“经常晚上10点左右包信和老师还要找我探讨当天的实验情况，分析现象背后的原因。”

回顾研究历程，傅强感慨，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。

实验室优异的催化效果也让研究团队动了产业化的心思。

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，与陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，建设了世界上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。该装置于2019年完成单反应器试车，催化剂性能和反应过程的多项重要参数超过设计指标，总体性能优于实验室水平。

“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。

从小成果到大催化

一流的成果源自一流的团队。

“纳米限域催化概念及其产业化尝试需要多个研究团队、上百位研究人员的团结协作，任何一环出现短板或松懈都无法达到今天的效果。”包信和说，“一直以来，研究团队都非常重视人才培养和学风道德建设。”

学术带头人或导师的办公室往往跟团队成员和学生在一起，以方便交流讨论。包信和尤其重视科研骨干的工作研讨，定期组织讨论已成常态。

与他共事20多年的大连化物所研究员韩秀文说，“包信和鼓励大家畅所欲言，现在我们常常回忆起那些重要的讨论。”

大连化物所研究员邓德会是这些研讨会的“常客”，自2007年四川大学本科毕业后，便进入大连化物所进行硕博阶段的学习，师从包信和，从事催化相关研究。

“每次有困惑我都去找包老师，他不在办公室就在实验室。”邓德会说，“这个团队有一条铁一样的纪律，那就是‘不允许任何不正之风’，任何人都不能跨越。”

实验室也对研究课题提出严格要求。

不管是新生来所、导师报告，还是开题报告、骨干讨论会，抑或是年终总结大会上，包信和在几乎所有重要的场合都会强调一句话：“你做的工作要得到国内外科技界认可，一提到某项工作，大家就知道是你做的。”

包信和为年轻导师的发展创造了许多良好的条件，比如项目、经费、设备和学生等。包信和还会定期召集团队成员，讨论每个人的发展规划。这也造就了团队和谐、团结的氛围，培养出一批心无旁骛的“技术宅”。

傅强、潘秀莲、邓德会都是其中的典型代表。

韩秀文对邓德会印象深刻，“邓德会对研究一直很痴迷，几乎所有时间都扑在实验室，为此受了不少‘批评’。”

她告诉记者，科研潜力大、有干劲的年轻科研人员是棵好苗子，但也担心他们步子太快而在科研上出现重大纰漏，因此对于这样的年轻人往往采用“响鼓也需重锤敲”的策略。

“当时，往往包信和老师批评完我，韩秀文老师还要与我谈心。”邓德会说，“现在回想起来，这些教诲就是我成长的催化剂，每当跟当年的同学聊起来，大家都非常感激这个团队和老师们。”

受到“重锤敲打”的邓德会成长迅速，博士毕业后留所继续做科研，并成立创新组、组建团队，从事贵金属替代的纳米催化剂相关研究。

邓德会说，“我自己带队伍后，也鼓励开讨论会，让大家畅所欲言，这些都深受包信和老师的影响。”

中国科学院大连化学物理研究所包信和院士团队部分成员

20多年来，包信和所在的实验室，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。

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系统研究。昔日的“冷板凳”，已经越焐越热。