在现代化工中，大多数产品生产都与催化过程息息相关。催化剂的应用，可以改变化学反应速率，提高新物质、新材料的合成效率，是化工生产中必不可少的环节。但是，由于催化过程的复杂性，难以清晰认识其中催化的作用机理，一直被视为“黑匣子”。

日前，2020年度国家科学技术奖揭晓，由中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）研究员包信和带领团队提出的“纳米限域催化”，为揭秘“黑匣子”提供了创新的理论支撑，荣获国家自然科学奖一等奖。

察觉细微变化

改革开放后，我国经济实力、科技实力逐步提升，对各领域高层次人才的需求更加迫切。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。

刚过而立之年的包信和充满斗志。我国是个贫油、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。为了国家战略需求，他瞄准了煤、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，励志解密催化“黑匣子”。

在化工工业生产中，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，包信和团队在将三氧化二铁纳米粒子填充到碳纳米管的过程中发现，碳纳米管不但能限制纳米粒子的尺寸，而且管内三氧化二铁的还原温度随着管径减小而降低，同时低于直接附着在管外的纳米粒子，碳纳米管内外的纳米粒子活性存在较大的差别。

在经过周密的实验设计和大量研究后，团队发现，卷曲导致原本对称分配在碳纳米管两侧的电子云由管内向管外偏移，让原本惰性碳层的电子结构发生畸变，在管内外形成电势差，促进了管内纳米粒子的还原，从而形成配位不饱和的金属活性中心。

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

碳纳米管独特的纳米级管腔结构及其电子限域环境，导致管内物质性质改变，甚至诱导管内物质产生新的特性。基于此，包信和团队提出狭义的“限域催化”概念。之后，将该概念拓展至二维和界面相互作用的电子调控体系，即“界面限域催化”概念，这二者共同构成了“纳米限域催化”概念中狭义限域和广义限域的两个方面。这些理论为我国催化领域实现跨越式发展奠定了坚实的基础。

破解百年难题

近百年来，为了以煤为原料获得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃，国际上普遍采用上世纪二十年代德国科学家发明的费托（FT）合成技术。该技术能耗大、水耗高，而且产物低碳烃选择性一直难以突破58%的ASF理论极限。

“精准调控化学反应过程一直是催化化学追求的目标，在当今能源高效转化、资源优化利用及生态环境优化的需求推动下，需要催化过程更加温和，催化反应更加精准和高效。”包信和说。

随着纳米限域催化概念的形成和完善，包信和团队将界面限域与孔道限域耦合创立了OXZEO?催化体系，实现了煤经合成气一步高选择性直接制取乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烃，从原理上摒弃了传统费托（FT）合成路线，省去了耗水、耗能的水煤气变换和水-氢循环过程，并成功突破了目标产物选择性理论极限。

当从事FT合成研究20多年的德国一跨国公司资深研究人员了解到该研究后，略显沮丧地说：“这个点子为什么不是我们先想到的？”包信和自豪地回答：“你们想到的点子已经很多了，也该轮到我们了。”说这话的底气来自科研团队的长期坚守和我国日渐强大的科学技术水平。

“创新是一个漫长的过程，它需要建立在长期的积累和扎实的基础之上。没有前期大量的工作作为铺垫，是无法实现0到1的突破的。” 大连化物所研究员傅强对记者说。

服务国家建设

“化学领域的创新往往要经过化工过程进入应用领域，作为科学家要有所发现，有所发明，有所创造。” 中国科学院院士、北京化工大学应用化学系教授段雪说。

包信和团队自然也希望这项成果能够产业化应用，服务国家化工行业。在中国科学院院士、时任所长张涛的推动下，包信和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。

基于该项创新成果，大连化物所与陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，建设了世界首套千吨级规模的煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置。2019年完成单反应器试车，2020年成功完成工业全流程试验，进一步验证了该技术路线的先进性和可行性。

“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。

辽东半岛，黄海之畔，把科技成果应用在实现国家现代化的伟大事业中，把人生理想融入为实现中华民族伟大复兴的中国梦的奋斗中，已经成为包信和科研团队全体成员的信念。(经济日报记者 常理）

关键词： 纳米粒子 黑匣子 中国科学院院士 团队 烯烃