在现代化学工业中，大多数产品都与催化过程密切相关。催化无处不在，人类一直在探索对催化反应起关键作用的活性中心的构建原理和催化机理。长期以来，催化过程被认为是一个“黑箱”。揭示这个“黑匣子”将极大地促进资源的优化利用和高效低排放催化剂的创造。
中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)鲍新和院士带领团队从事催化基础研究和应用工作20余年，提出了“纳米受限催化”等新概念。2023年11月3日上午，国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂举行。大连化工学院“纳米受限催化”成果获2023年度国家自然科学奖一等奖。
“纳米受限催化”是催化体系中的一种内在力量，抵抗体系某些特性的改变，使催化活性得以维持，催化过程得以重复。催化的局域化特征不仅是一种现象，而且是系统的一种抽象状态。
“在纳米催化的研究道路上，团队坐了20多年冷板凳，坚持了20多年。但团队始终相信，只要科研方向正确，不怕路途遥远。只要坚持，冷板凳也能热起来。”包新河说。
如今，“纳米受限催化”已经成为催化领域的一个重要概念。发表的相关研究论文被引用3万余次，8篇代表性论文被引用近4000次。许多来自不同国家的理论和实验研究团队相继对受限催化进行了系统的研究。
催化黑盒的解密
从“给”任务到“找”任务
大连化工材料研究所的前身是大连大学科学研究所，创建于1949年。国家急，不断发展的研究所承担了国家的很多任务。
改革开放后，国家的经济实力和科技实力逐步提高。1994年，中科院希望引进一批国际高层次人才，引领国家科技发展。1995年，得知这个消息后，远在德国的包新和响应国家号召，来到大连化工学院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。
包新和认识到，中国是一个贫油、少气、富煤的国家，大量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，他瞄准了煤炭、天然气等非石油资源的高效清洁转化，将研究方向锁定在小分子能量转化生产液体燃料和基本化学品领域。
“研究就是针对催化中的关键科学问题，‘解密催化黑箱’，做有意义的研究课题，服务于国民经济发展的需求。”包新河说。
以包新和为代表的“勇挑重担、敢为人先”精神，经过20多年的不懈努力，研究团队在世界一流的科研道路上不断奋进，研究方向和课题也逐渐从“给”的任务向“找”的任务转变。
从现象到理论
“雪亮”的眼力来自积累。
小能量分子的转化离不开催化剂。活性金属，如铁、钴、镍等。是常用的金属催化剂，但活性金属，尤其是纳米催化剂，往往面临着活性物种的化学价态难以控制，催化性能难以调控等难题。
2006年，研究小组在将Fe2O3纳米粒子填充到碳纳米管的过程中发现，碳纳米管不仅可以限制纳米粒子的尺寸，而且管内Fe2O3的还原温度随着管径的减小而降低，并且低于直接附着在管外的纳米粒子的还原温度。更重要的是，内腔还可以稳定不饱和还原金属物种的配位。因此，碳纳米粒子内外的活性
通过精心的实验设计和大量的研究发现，卷曲使原本对称分布在碳纳米管两侧的电子云从管内转移到管外，扭曲了原本惰性碳层的电子结构，从而在管内外形成电位差，促进管内纳米粒子的还原，形成配位不饱和的金属活性中心。
2007年，在用合成气(一氧化碳和氢气的混合物)生产二氧化碳氧化物如乙醇的实验中，团队发现碳纳米管内的铑锰催化剂活性比管外的好，表现出更好的性能。“这就好比一个过于狭窄的空间让人紧张，空间的限制也让里面的金属催化剂变得‘活泼’。”大连化学物理研究所研究员潘秀连说。
碳纳米管独特的纳米尺度空腔结构和电子受限环境导致管内物质性质的改变，甚至诱发管内物质产生新的特性。基于此，鲍新和提出了“碳纳米管禁闭”的概念。
我们团队的大量研究结果表明，除了碳纳米管，金属-氧化物界面也可以稳定配位不饱和的活性中心。团队开发了高效稳定的Pt-Fe催化剂，利用界面保持配位不饱和的活性状态，在室温下完全去除氢气中的微量一氧化碳，解决了氢氧燃料电池原料氢气中微量一氧化碳导致燃料电池催化剂中毒失活的问题。
从现象挖掘的本质出发，研究团队提出了“界面受限催化”的概念。“碳纳米管限制”和“界面限制催化”构成了“纳米限制催化”概念中的窄限制和宽限制两个方面。
惊人的选择性
“距离”的确可以产生“美”
近百年来，为了从煤中获得乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃，国际上广泛采用了德国科学家在20世纪20年代发明的费托(FT)合成技术。这项技术消耗大量的水和能源，在获得氢气的同时排放二氧化碳。而且低碳烃产品的选择性一直难以突破ASF 58%的理论极限。
随着纳米限域和界面限域概念的形成和完善，鲍新河研究团队另辟蹊径，将一氧化碳/氢气活化和碳碳键偶联的活性中心分离出来，让它们“各司其职”，实现催化过程中转化率和选择性的解耦。
沿着这一思路，研究团队将控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心分离出来，创建了新型复合双功能催化剂体系。
没想到，思维的转变帮助研究团队打破了“窗户纸”，解决了一直困扰他们的问题。实验结果令人振奋。
突破瓶颈之后，成果也就随之而来了。2023年3月，《科学》杂志发表了这一研究成果，同时发表了一篇题为《对选择性的惊讶》的专家评论文章，认为这一工艺在未来的工业中具有很大的竞争力。
一位来自德国跨国公司、从事FT综合研究20多年的资深研究员得知这项研究时，有点沮丧地说：“为什么我们没有先想到这个点子？”
包欣禾得意地答道：“你想出了一大堆点子，轮到我们了”。
事实上，早在2007年，研究团队就提出了利用双功能偶联催化剂体系探索合成气一步制烯烃的思路。长期以来，研究成果不断优化和完善。“直到积累了大量的理论基础，才发现活性中心之间的距离对双功能偶联催化体系至关重要，‘距离’的确能产生‘美’”。潘秀连说。
从小成就到大催化
应用上的突破来自理论积累。
“与追求催化效率的数字化提升不同，包信和先生非常关注现象背后的机理。他要求研究小组先了解其机制，并深入了解其作用机制
回顾研究过程，付强觉得创新是建立在长期积累和扎实基础上的。有传承才有创新。首先要有一个量的积累，然后是质的飞跃，最后实现从0到1的突破。在这个过程中坚持是非常重要的。
实验室出色的催化效果也让研究团队开始思考产业化。在中国科学院院士、时任院长的推动下，鲍新河、领导的基础研究团队与中国工程院院士、大连化物所所长刘领导的应用开发研究团队合作，迅速完成了这一成果的实验室验证。
接着，大连化工学院与陕西延长石油(集团)有限公司合作，基于这一创新成果，建设了全球首个千吨级煤制合成气直接生产低碳烯烃工业中试装置。2023年完成单反应器试运行，催化剂性能和反应过程多项重要参数超过设计指标，整体性能优于实验室水平。2023年顺利完成全工业流程试验，进一步验证了该技术路线的先进性和可行性。
该技术具有广阔的应用前景。一般来说，在大孔道中可以得到较大分子的产品如汽油，在小孔道中可以得到较小分子的产品如乙烯。因此，通过调整氧化物和分子筛双功能催化剂的组成、结构、性质和匹配耦合，有可能实现对最终产品的调控，合成气制烯烃系统也有望扩展到生产芳烃和汽油领域。
“理论指导实践。未来，基于“纳米受限催化”的概念，将会有更多的技术被产业化和应用。届时，预计提高中国乃至全球的资源利用效率。”包新河说。
20年的“一贯制”严格和勤奋
“不允许有不正之风”是实验室的铁律。
一流的成绩来自一流的团队。“纳米受限催化的概念及其产业化尝试，需要几个研究团队、几百名研究人员的团结协作。任何一环的短板或松懈都达不到今天的效果。”包新和说，“一直以来，课题组都非常重视人才培养和学风道德建设。”
包新和非常重视科研骨干的研究和讨论，定期组织讨论已经成为常态。
大连化学物理研究所研究员邓德辉(音译)自2007年以来一直在包新河学习，他是这些研讨会的常客。“每次我很迷茫的时候，我都会去找包老师。他不在办公室的时候就在实验室。”他说，“这个团队有一条铁的纪律，就是‘不允许有不正之风’，谁也不能越过。”
实验室对研究课题也提出了严格的要求：“你所做的工作必须得到国内外科技界的认可。当你提到某个作品时，所有人都会知道是你做的。”在大一的学院，导师的报告，开学报告，骨干研讨会，年终总结会，鲍新河不断强调。
为了培养一流的人才，包新河为青年导师的发展创造了项目、资金、设备、学员等诸多有利条件。包欣禾也会定期召集团队成员，讨论大家的发展规划。这也营造了团队和谐团结的氛围，培养一批心无旁骛的“技术宅”。
同时，科研团队对科研论文的署名和实验原始数据的记录有严格的规定，实行培训和检查同步进行。此外，还强调实验的安全性，在组里设安全员，每周检查。
20年来，实验室培养了125名博士生、14名硕士生和40多名博士后，其中许多人成长为催化领域的杰出人才，在学术界和工业界产生了重要影响。
作者：许
图片：由中国科学院大连化学物理研究所提供
