【实验|中科院大连化物所耕耘二十余载 把冷板凳焐热 解密催化“黑匣子”】包信和院士团队部分成员 。 中科院大连化物所供图
在现代化学工业中 ， 大多数产品生产都与催化过程息息相关 。 但长期以来 ， 催化过程被视为科研领域的“黑匣子” ， 很少有人知道这个过程究竟发生了什么 。
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 ， 在催化基础研究和应用领域耕耘20余载 ， 提出了纳米限域催化等新概念 ， 揭示了这个“黑匣子”的奥秘 。 11月3日 ， 在2020年度国家科学技术奖励大会上 ， 包信和等人完成的这一重大成果 ， 斩获了我国自然科学领域的最高奖项——国家自然科学一等奖 。
“在纳米催化这条研究道路上 ， 团队已经坐了20多年的冷板凳 ， 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 。 只要坚持 ， 再冷的板凳也能焐热 。 ”包信和说 。
从现象到理论
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 。
作为改革开放后新一代的归国科研人员 ， 包信和告诉采访人员 ， 国内的科研环境和条件已大大改善 ， “研究就是要瞄准催化中的关键科学问题 ， 解密催化‘黑匣子’ ， 做有意义的研究课题 ， 服务国民经济发展的需要 。 ”
能源小分子的转化 ， 离不开催化剂 。
包信和介绍 ， 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 ， 研究团队发现 ， 碳纳米管不但能限制纳米粒子的尺寸 ， 还能稳定配位不饱和的还原态金属物种 。 这些导致碳纳米管内外的纳米粒子活性有较大的差别 。
这一现象引起了包信和的关注 。
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实验现象 ， 通过大量的实验验证 ， 探索其科学本质 ， 这是源于科学家的敏锐直觉和长期积累 ， 也得益于该团队严格执行实验记录规范制度 。
2007年 ， 在合成气制乙醇等碳二含氧化合物的实验中 ， 该团队发现 ， 碳纳米管内铑锰催化剂的活性比管外更佳 ， 表现出更好的性能 。
“这就像过于狭小的空间让人紧张不安一样 ， 空间限制也让其内的金属催化剂‘活泼’起来 。 ”大连化物所研究员潘秀莲说 。
基于此 ， 包信和提出了“碳纳米管限域”的概念 。
大连化物所研究员傅强介绍 ， 金属与氧化物界面形成的限域环境 ， 对氧化物的结构和化学状态提供了约束作用 ， 也能稳定配位不饱和金属活性中心 。
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