化學反應過程，這樣精准調控（2020年度國家科技獎獲獎項目巡禮（上））

包信和（左二）與團隊成員在實驗室。 　　謝震霖攝

編者按：中共中央、國務院日前在北京隆重舉行國家科學技術獎勵大會。2020年度國家科學技術獎共評選出264個項目、10名科技專家和1個國際組織，我們從中選取了兩項國家自然科學獎一等獎和一項國家技術發明獎，報道這些獲獎項目取得的重要突破，展示科研人員自立自強、勇攀科技高峰的風採，敬請關注。

怎樣精准設計催化劑，讓催化反應更高效？如何用更加高效、低碳的方式，從煤中獲得烯烴和芳烴等化工原料？隨著“納米限域催化”概念的提出，我們向解決這些困擾化學家的科學難題邁進了一大步。

“納米限域催化”是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，歷經20余年的研究結晶。憑借對催化理論發展的重要貢獻，該成果成為榮獲2020年度國家自然科學獎一等獎的兩個項目之一。

創立“納米限域催化”概念，為催化劑精准設計打開一扇窗

催化在自然界普遍存在。2000多年前，中國人就懂得用酒曲（生物酶催化劑）釀酒。現代化工產品生產更加離不開催化，比如，氮和氫在高溫高壓和催化劑下合成的氨，是化肥工業和基本有機化工的主要原料。然而，催化反應發生的過程和催化作用機理長期以來一直被視為“黑匣子”。

揭示催化過程，有助於為精准設計催化劑提供理論支撐，從而幫助科學家實現夢寐以求的目標：精准調控化學反應過程。

在催化反應過程中，反應物分子一般要與催化劑發生化學作用。為獲得更好的催化效果，在很長一段時間裡，科學家依靠實驗試錯的方式探索催化劑。這就像炒菜，咸了加水、淡了加鹽，最終選擇一種較好的方案。至於原料是怎樣變成產品的，往往隻能依靠邏輯推理來想象。

隨著研究的深入，科學家發現，在原子層面，催化劑表面電子排列不同，反應就可能不一樣。於是，科學家試圖通過表面結構調控的方法，來理解催化機理，設計所需要的催化劑，進而精准控制催化反應過程。

歷經多年研究和實踐，借助納米尺度的空間限域效應，包信和研究團隊對體系電子能態進行調變，實現了對催化性能的精准調控，提出狹義的“限域催化”概念。之后，他們將該概念拓展至二維和界面相互作用的電子調控體系，定義和創建了具有廣泛意義和普適性的“納米限域催化”概念，這為精准調控化學反應的性能和反應路徑打下了堅實基礎。

如今，“納米限域催化”成為催化研究的熱點，包信和團隊發表的相關研究論文他引超過3萬次，許多國際團隊跟隨開展研究，並在催化選擇氧化和高效加氫等多個重要催化體系中得到驗証。

摒棄傳統的技術路線，實現了高選擇性一步制取低碳烯烴

在“納米限域催化”概念指導下，包信和團隊的一些成果從實驗室走向工業試驗。比如，近百年來，以煤為原料直接獲得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴，國際上普遍採用費托合成技術。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，再進一步合成碳氫化合物。受限於催化作用原理，低碳烴選擇性理論極限為58%。同時為了滿足加氫脫氧反應的需要，工藝上要通過耗水、耗能的水煤氣變換過程制備氫，這一過程還放出大量二氧化碳。

從“納米限域催化”概念出發，包信和團隊另辟蹊徑，將控制反應活性和產物選擇性的兩類催化活性實現解耦，創制了一種新型復合的雙功能催化劑體系。這樣一來，他們從原理上摒棄傳統費托合成路線，實現了高選擇性一步制取低碳烯烴。

基於該創新成果，包信和團隊與大連化物所劉中民院士團隊以及陝西延長石油（集團）有限責任公司合作，建成世界首套千噸級規模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置。2019年，該裝置完成單反應器試車，一氧化碳單程轉化率超過50%，低碳烯烴選擇性優於75%，多項重要參數超過設計指標。2020年成功完成全流程試驗，進一步驗証了該技術路線的先進性和可行性。

了解包信和團隊制取低碳烯烴的思路后，德國一家著名跨國化學公司的一位資深專家說：“這個點子為什麼我們沒先想到？”包信和回答說：“你們想到的點子蠻多了，也該輪到我們了。”

包信和的底氣來自於團隊長期的原創積累。“包老師對研究課題的要求很高。他一直強調，想要獲得學術界認可，就要做那些獨一無二的工作。”包信和團隊成員、大連化物所研究員潘秀蓮告訴記者。

20多年潛心研究，實現從“0”到“1”關鍵跨越 

1995年，從德國學成歸國后，包信和加入大連化物所，研究如何利用煤炭轉化制備化學品。從一開始他就瞄准催化中的關鍵科學問題——解密催化的“黑匣子”。

包信和團隊在“納米限域催化”領域耕耘了20多年。他說，大的“0”到“1”突破，往往是由許多小的“0”到“1”的研究積累起來的。不論大小，心裡一定要有做原始創新的夢想，即使最終達不到預期，哪怕只是往前推動一點點，積累起來也會有巨大的進展。

2006年，在將納米粒子填充到碳納米管的過程中，研究團隊發現，碳納米管內外的納米粒子活性存在較大差別。這一現象引起包信和的注意，他通過大量研究發現：碳納米管獨特的納米級管腔結構及其電子限域環境，導致管內物質性質改變，甚至誘導管內物質產生了新的特性。基於系統的基礎研究，包信和提出了“碳納米管限域”的概念，研究視野就此打開。

“天上掉餡餅，我們也要接得住。”包信和說，一次實驗現象轉瞬即逝，隻有腦中一刻不停地在琢磨，才可能敏銳意識到其中的科學問題。

縱觀研究歷程，許多發現偶然中有必然。一名學生在做制備烯烴的交流展示時，一個實驗數據中烯烴的選擇性超過70%，該數據給包信和留下了深刻的印象。因為按照傳統理論，選擇性不可能這麼高。於是，請學生重復實驗，確認實驗操作無誤、數據可靠后，包信和判斷這方面值得深入研究。一次次的實驗后，他們發現了其中的奧秘，抓住了影響合成氣直接制成低碳烯烴選擇性的關鍵，並取得了突破性進展。這些工作進一步推動了團隊對納米限域催化原理的認識。

“做好研究，導師要與學生在一起，堅持到研究第一線。”包信和認為。在大連化物所，他的辦公室就在實驗室，當上研究所所長后也是如此。團隊成員鄧德會2007年從四川大學本科畢業后，進入大連化物所，師從包信和從事催化相關研究。他熱愛鑽研，有困惑總能很快找到老師、得到解答，這讓他在短短數年內快速成長。

“學生知識積累不夠，但通常最了解實驗的細節。老師不到一線和學生討論，就不能發現、提煉問題，真正做出原創成果。”包信和說。

包信和團隊成員、大連化物所研究員傅強告訴記者，有時候，包老師在實驗室的時間比學生還長。“經常晚上10點了，還在與我們探討當天的實驗。”

盡管“納米限域催化”解釋了很多催化現象，也在高效催化劑的設計研制中得到了很好的驗証，但包信和表示，該概念成為成熟的普適理論還需要做大量的工作，揭開催化的“黑匣子”仍然任重道遠。他希望，未來通過深入系統研究，將該概念進一步完善，使其更加公式化，從而在精准設計催化劑上更具有普遍意義的指導價值。

《 人民日報 》（ 2021年11月11日 17 版）