新華社北京11月4日電 題：解密“催化黑匣子” 科學家構建“納米限域催化”概念獲2020年度國家自然科學獎一等獎

新華社記者張泉、王瑩

能源轉化、材料合成、環境保護……這些與人們息息相關的領域中，催化發揮着關鍵作用。

催化科技的創新變革離不開催化理論的突破和發展。中國科學院大連化學物理研究所包信和院士帶領團隊，經過20餘年探索，系統創建了具有普适性的“納米限域催化”概念，打開了一扇認識催化過程、精準調控化學反應的大門。該成果榮獲2020年度國家自然科學獎一等獎。

“納米限域催化”：有望成為解密“催化黑匣子”之鑰

可加速或減緩化學反應速率，可減少化學反應“副産品”，可降低能源消耗……催化的“神奇”作用，使其成為化工生産中的關鍵角色。通過催化精準調控化學反應過程，是科學家們長期以來追求的目标。

然而在學術界，具體的催化過程、催化機理至今尚不明晰，長期以來被視為“黑匣子”。解密這個“黑匣子”，才能創制出更加高效的催化劑，讓化學反應更加節能環保、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現，将催化劑置于碳納米管内，會使其表現出更好的活性和性能。就像過于狹小的空間讓人緊張不安，空間限制也讓其内的催化劑“活潑”起來。

進一步研究發現，除碳納米管外，金屬與氧化物界面形成的限域環境，也能穩定配位不飽和金屬活性中心。

在此基礎上，包信和與團隊明确定義和系統創建了具有廣泛意義和普适性的“納米限域催化”概念。

目前，“納米限域催化”概念已在多個重要催化體系中得到驗證，為精準調控化學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，相關領域已成為當今催化基礎研究和應用實踐的熱點之一。

從概念到應用：原創成果轉化為産業競争力

在“納米限域催化”概念指導下，包信和與團隊積極推動研究成果走向應用，多項代表性應用成果已進入工業試驗階段。

為以煤為原料獲得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴，包信和與團隊創立了全新的催化體系，實現節水節能、降低二氧化碳排放的同時，還通過對目标産物選擇性的精準調控，減少“副産品”，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年代德國科學家發明的費托合成技術，該過程能耗大、水耗高，且産物低碳烴（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，摒棄了傳統費托合成路線，将“活化”與“偶聯”這兩個本該“一氣呵成”的過程分開，利用“納米限域催化”相關理念，在提高反應活性的同時，對目标産物的選擇性進行精準調控。

國際學術期刊《科學》2016年發表這一研究成果時，同期刊發了以“令人驚奇的選擇性”為題的專家評述文章，認為該技術未來在工業上将具有巨大的競争力。

基于該項創新成果，通過與大連化物所劉中民院士團隊及陝西延長石油（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，并成功完成了工業試驗，催化劑性能和反應過程的多項重要參數超過了設計指标。

“理論指導實踐，未來，基于‘納米限域催化’概念，将有更多技術實現産業化應用，屆時将有望提高我國乃至全球的資源利用效率。”包信和說。

“甘坐冷闆凳”：堅守換來“從0到1”的突破

搞基礎研究離不開“甘坐冷闆凳”的精神，要取得“從0到1”的原創性突破更是如此。

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。“就要瞄準催化中的關鍵科學問題，解密‘催化黑匣子’，這是國民經濟發展的需要。”包信和說。

圖為包信和院士

20多年間，他始終堅持在科研一線。大多數時間裡，他不在辦公室，就在實驗室，加班到深夜更是家常便飯。“離開了實驗室和學生，離開了科研一線，想要取得原創性成果是不可能的。”包信和說。

“一次實驗現象轉瞬即逝，但包信和院士總能敏銳地抓住，并通過大量的實驗驗證，探索其科學本質，這是源于科學家的敏銳直覺和長期積累，也得益于團隊成員的良好作風和共同努力。”大連化物所研究員傅強說，“堅持”至關重要，先要有量的積累，再有質的跨越，最終實現“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‘冷闆凳’。但隻要方向對，就不怕路途遙遠；隻要堅持，再冷的闆凳也能焐熱。”包信和說。

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