来自 财经 2021-11-17 09:07 的文章

金德水管产地化学反应过程,这样精准调控(2020年度国家科技奖获奖项目巡礼(上))

 

  包信和(左二)与团队成员在实验室。
  谢震霖摄

 

  编者按:中共中央、国务院日前在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。2020年度国家科学技术奖共评选出264个项目、10名科技专家和1个国际组织,我们从中选取了两项国家自然科学奖一等奖和一项国家技术发明奖,报道这些获奖项目取得的重要突破,展示科研人员自立自强、勇攀科技高峰的风采,敬请关注。

  

  怎样精准设计催化剂,让催化反应更高效?如何用更加高效、低碳的方式,从煤中获得烯烃和芳烃等化工原料?随着“纳米限域催化”概念的提出,我们向解决这些困扰化学家的科学难题迈进了一大步。

  “纳米限域催化”是中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)包信和院士带领团队,历经20余年的研究结晶。凭借对催化理论发展的重要贡献,该成果成为荣获2020年度国家自然科学奖一等奖的两个项目之一。

  创立“纳米限域催化”概念,为催化剂精准设计打开一扇窗

  催化在自然界普遍存在。2000多年前,中国人就懂得用酒曲(生物酶催化剂)酿酒。现代化工产品生产更加离不开催化,比如,氮和氢在高温高压和催化剂下合成的氨,是化肥工业和基本有机化工的主要原料。然而,催化反应发生的过程和催化作用机理长期以来一直被视为“黑匣子”。

  揭示催化过程,有助于为精准设计催化剂提供理论支撑,从而帮助科学家实现梦寐以求的目标:精准调控化学反应过程。

  在催化反应过程中,反应物分子一般要与催化剂发生化学作用。为获得更好的催化效果,在很长一段时间里,科学家依靠实验试错的方式探索催化剂。这就像炒菜,咸了加水、淡了加盐,最终选择一种较好的方案。至于原料是怎样变成产品的,往往只能依靠逻辑推理来想象。

  随着研究的深入,科学家发现,在原子层面,催化剂表面电子排列不同,反应就可能不一样。于是,科学家试图通过表面结构调控的方法,来理解催化机理,设计所需要的催化剂,进而精准控制催化反应过程。

  历经多年研究和实践,借助纳米尺度的空间限域效应,包信和研究团队对体系电子能态进行调变,实现了对催化性能的精准调控,提出狭义的“限域催化”概念。之后,他们将该概念拓展至二维和界面相互作用的电子调控体系,定义和创建了具有广泛意义和普适性的“纳米限域催化”概念,这为精准调控化学反应的性能和反应路径打下了坚实基础。

  如今,“纳米限域催化”成为催化研究的热点,包信和团队发表的相关研究论文他引超过3万次,许多国际团队跟随开展研究,并在催化选择氧化和高效加氢等多个重要催化体系中得到验证。

  摒弃传统的技术路线,实现了高选择性一步制取低碳烯烃

  在“纳米限域催化”概念指导下,包信和团队的一些成果从实验室走向工业试验。比如,近百年来,以煤为原料直接获得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃,国际上普遍采用费托合成技术。该技术首先让煤气化形成合成气,在适当条件和催化剂的作用下,再进一步合成碳氢化合物。受限于催化作用原理,低碳烃选择性理论极限为58%。同时为了满足加氢脱氧反应的需要,工艺上要通过耗水、耗能的水煤气变换过程制备氢,这一过程还放出大量二氧化碳。

  从“纳米限域催化”概念出发,包信和团队另辟蹊径,将控制反应活性和产物选择性的两类催化活性实现解耦,创制了一种新型复合的双功能催化剂体系。这样一来,他们从原理上摒弃传统费托合成路线,实现了高选择性一步制取低碳烯烃。

  基于该创新成果,包信和团队与大连化物所刘中民院士团队以及陕西延长石油(集团)有限责任公司合作,建成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,该装置完成单反应器试车,一氧化碳单程转化率超过50%,低碳烯烃选择性优于75%,多项重要参数超过设计指标。2020年成功完成全流程试验,进一步验证了该技术路线的先进性和可行性。

  了解包信和团队制取低碳烯烃的思路后,德国一家著名跨国化学公司的一位资深专家说:“这个点子为什么我们没先想到?”包信和回答说:“你们想到的点子蛮多了,也该轮到我们了。”

  包信和的底气来自于团队长期的原创积累。“包老师对研究课题的要求很高。他一直强调,想要获得学术界认可,就要做那些独一无二的工作。”包信和团队成员、大连化物所研究员潘秀莲告诉记者。

  20多年潜心研究,实现从“0”到“1”关键跨越 

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