【2020年度国家自然科学奖一等奖】纳米限域催化理论:解密催化黑匣子

来源:央视网 | 2021年11月03日 15:02:37
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央视网消息: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多年的潜心研究和实践,提出了“纳米限域催化”概念,获得2020年度国家自然科学奖一等奖。

催化反应是通过催化剂作用,调变化学反应的反应能垒,从而改变化学反应的速率,这让很多化工产品有了量产的可能,目前,工业中85%以上的化学反应都是催化反应。长久以来,催化过程被视为“黑匣子”,揭开这个黑匣子背后的科学规律是科学家一直以来追求和奋斗的目标。

自然界当中,物质一般都是由分子、原子组成。原子内有电子,本来这些电子是按照一定规律自由运动的,如果突然以某种方法将它限制起来,体系中电子的运动状态和特性都会发生变化。那么如果把它限制到纳米尺度呢?

中科院院士 中科院大连化学物理研究所研究员 包信和:纳米里面有一个非常大的效应,就是到了一定的纳米尺度以后有所谓的量子效应。最难的一点就是把纳米的概念用到催化上面来,实际上我们现在找到的桥梁就是限域这个概念,就是通过纳米限域改变了特性以后来改变催化剂的活性。对于我们化学反应来讲,我一定要它活性高反应快。

中科院大连化学物理研究所研究员 潘秀莲:空间的限制,它本身的结构性能要发生变化的。我们实际上就通过限域的作用去调控它(催化剂)的电子结构,给我们提供了精准调控化学反应的一种手段。

纳米限域催化,实际上是在纳米尺度给催化反应体系提供一个有约束的环境,比如空间和界面的作用等,对催化剂体系的电子能态进行调变,改变催化剂的活性和选择性,从而实现催化性能的精准调控。这一理论可指导高效催化剂的理性设计和创制,并应用到工业催化过程,从而影响我们未来的生活。

我国是一个贫油、少气、富煤的国家,大量依赖进口石油生产液体燃料和化学品关系到国家能源安全。因此,包信和院士带领团队瞄准煤、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。我国自主研发的煤经合成气制烯烃技术就是在纳米限域催化原理的指导下取得的一项重大突破,从原理上颠覆了国际上沿用90多年的费托合成技术。

烯烃,特别是乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃是一种重要的基础化工原料,小到生活塑料、我们的衣服,大到航天飞机,都离不开烯烃。

中科院院士 中科院大连化学物理研究所研究员 包信和:一个好的催化剂使化学反应反应得既快又好,那么你快了以后效率就高了,所谓好,你想得到的东西就越多,不想得到的东西越少。这样整个污染就少,碳排放可能就会少,实际上就是来促进化学反应向我们需要的方向去发展。

中科院院士 北京化工大学应用化学系教授 段雪:包老师他们这个团队历经20年,从提出创意,然后再反复思索形成一个概念,再经过大量系统的科学研究来验证概念,到战略合作,到最后推向中试。我觉得坚持了20年形成了这样的一个中国科学家的原创的成果,非常不容易,也祝贺他们。

编辑:刘珊 责任编辑:刘亮
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