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国家自然科学奖一等奖“纳米限域催化”:原始创新 始于毫末

国家自然科学奖一等奖“纳米限域催化”:原始创新 始于毫末

2021年11月03日 13:16 来源:中国新闻网参与互动参与互动
国家自然科学奖一等奖“纳米限域催化”:原始创新始于毫末
    “纳米限域催化”科研团队成员 谢震霖 摄

  中新网北京11月3日电(记者 高凯)在11月3日举行的2020年度国家科学技术奖励大会上,被视为“原创性最强、科学价值最高”的自然科学奖一等奖颁给了由中国科学院包信和院士带领的中国科学院大连化学物理研究所(简称大连化物所)团队的“纳米限域催化”项目。

  作为核心技术,催化在能源转化、材料合成、环境保护及生命健康等领域发挥着决定性作用,而包信和院士所带领团队的“纳米限域催化”项目,借助微至“毫末”的纳米尺度的空间以及界面限域效应对催化体系电子能态进行调变,实现催化性能的精准调控。

包信和院士 谢震霖 摄
包信和院士 谢震霖 摄

  解密“黑匣子”

  现代化工中,大多数产品生产都与催化过程息息相关。人类一直在探索催化反应中起关键性作用的活性中心的构建原理及其催化机理。然而,长久以来,催化过程却被视为“黑匣子”,揭示这个“黑匣子”将会大大促进资源优化利用和高效催化剂的创制。

  二十年来,包信和带领的团队所致力于研究的,正是这个“黑匣子”秘密。

  经过坚持不懈的潜心研究和实践,包信和院士和他的研究团队借助纳米尺度的空间、界面等限域效应对催化体系电子能态进行调变,实现了催化性能的精准调控,提出“纳米限域催化”概念。

  “我们给出了‘黑匣子’里的可能性,由此就有了精准调控的路径。”包信和说。

  至于这种“精准调控”能做什么,包信和举出当下最受关注的煤炭清洁高效利用的例子。

  近百年来,为了以煤为原料获得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃,国际上普遍采用的技术是传统费托合成技术,受限于催化作用原理,该过程需要大量水,且能耗大。

  而随着纳米限域及界面限域概念的形成和完善,包信和研究团队另辟蹊径,使得新技术不需要水煤气变换制氢过程,工艺流程短,可显著降低工艺水耗、过程能耗和二氧化碳排放,煤炭的清洁高效开发由此成为可能。

  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。

  目前,包信和院士团队成功拓展OXZEO®催化剂设计思想,初步创建了煤经合成气直接转化新技术平台,实现了系列高值化学品和燃料的定向合成,引领了节水、节能高效煤化工发展新方向。

包信和院士 谢震霖 摄
包信和院士 谢震霖 摄

  “科学只要方向对,就不怕路途遥远”

  毫末之中的奥秘得以揭开,背后是包信和院士和他的团队长达二十多年的刻苦钻研。

  上世纪90年代,得知中国科学院希望引进一批国际高层次人才,远在德国的包信和放弃国外优越的科研环境和待遇,毅然来到大连化物所,刚过而立之年的他充满斗志,将研究瞄准催化中的关键问题,“解密催化黑匣子”。

  由于“黑匣子”破解的难度很高,国际上关于这方面的研究曾一度陷入低迷,然而包信和始终笃信已经选择的研究方向,“在纳米催化这条研究道路上,团队坚持了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。”

  突破多少带些偶然性。2006年,在将三氧化二铁纳米粒子填充到碳纳米管的过程中,研究团队发现某些实验数据超出预判,而这一现象立刻引起了包信和的关注,随即是专注于目标的大量研究试验,突破瓶颈后,终于水到渠成。

  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瞬间反应,通过大量的实验验证,探索其科学本质。这很大程度上源于科学家的敏锐直觉和长期积累。

  除了带领科研团队,包信和在大连化物所担任了很长一段时间的所长,但是这位院士的办公室却常年“设”在实验室,“我始终坚信,要在科研上有所收获,绝对不能离开一线,不能离开实验室,不能离开学生们。”包信和说。

  团队之力

  一项重要的原创成果,一定是源于广博的知识,巧妙的联想,合作的胸怀以及坚持与恒心。

  尽管一路走来困难重重,但包信和的研究团队始终保持和谐团结的学风,以对于科学真挚的热情彼此扶植合作。

  “纳米限域催化概念及其产业化应用开发需要多个研究团队、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。

  在这个团队中,定期组织科研骨干的工作研讨已成常态。

  大连化物所研究员邓德会是这些研讨会的“常客”,“我们经历过很多艰难的阶段,可能相对而言没有那么多文章发表,但是大家的热情真的从没减弱,真正的科学研究是需要耐心和恒心的,整个团队都是很有信心、锲而不舍的。”邓德会说。

  为了培养一流人才,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”。

  20多年来,该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,在学术界和产业界产生了重要影响。

  “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,届时将提高我国乃至全球的资源利用效率。”包信和说。(完)

【编辑:黄钰涵】
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