催化体系|破译催化密码 让化学反应更精准
——记2020年度国家自然科学奖一等奖获得者包信和院士团队
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包信和（左二）和纳米限域催化团队成员 。大连化物所供图
■采访人员 卜叶
化学工业离不开催化剂，但长久以来，人们开发催化剂的过程更像“炒菜”，咸了加水，淡了放盐，在不断“试错”中寻找最佳“配方” 。设计催化剂，实现催化反应的精准调控，一直是科学家追求的目标 。
在近日召开的国家科学技术奖励大会上，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）包信和院士团队20余年攻关获得的“纳米限域催化”成果荣获了2020年度国家自然科学奖一等奖 。该成果为认识催化作用机理和实现精准调控化学反应奠定了重要基础 。
“限域效应实际上是保持催化体系在反应过程中处于活性状态，并维持催化体系循环往复不断地发生 。”包信和说 。
“抓”住偶然
在包信和眼里，让催化反应持续进行就是要让催化剂一直配位不饱和，即处于“半温饱状态” 。但配位不饱和状态往往也很活泼，很难维持住 。
1995年刚回国的包信和来到大连化物所，毅然将自己的研究方向锁定在能源转化中的催化基础研究，瞄准煤、天然气等非石油资源的转化利用，努力创新高效、环境友好的催化过程 。
我国资源禀赋“贫油、少气、相对富煤”，大量依赖进口石油生产液体燃料和化学品，这关系到国家能源安全 。因此，化学品的生产要发展就必须蹚出一条适合国情的路子 。
2006年，团队成员在将三氧化二铁纳米粒子填充到碳纳米管的过程中，发现了一个有意思的现象：随着管径缩小，碳纳米管内催化剂的还原温度降低了，而且管腔还有稳定还原态催化剂的作用 。如何解释这一现象，团队争论不休 。这一现象也引起了包信和的重视 。多年的经验和积累告诉他，这或许能为深入理解催化机理找到突破口 。他随即设计了严谨的实验计划，指导团队成员进行探索 。
一次实验现象转瞬即逝，但包信和敏锐地抓住了这一瞬间，并通过大量的实验验证，揭示出其中的科学本质 。
研究发现，卷曲的管壁导致碳纳米管内外形成了电势差，促进了管内催化剂形成配位不饱和的活性中心 。随着研究的深入，研究人员逐步理解了碳纳米管内催化剂显示出独特性能的机理，据此提出了“碳纳米管限域”的概念 。
后续研究发现，除碳纳米管外，金属—氧化物界面也能稳定配位不饱和的活性中心，团队进一步提出“界面限域催化”的概念 。碳纳米管限域与界面限域催化构成了“纳米限域催化”概念中狭义限域和广义限域两个方面 。
“要时刻保持天上掉馅饼的‘警觉’ 。”包信和表示，科研人员不能离开科研一线、不能离开学生，学生受经验积累限制，知道结果，未必了解成因和背景，这时候就需要导师指导，与他们讨论并安排实验细节 。
为了能够随时掌握实验进展，包信和即使在担任大连化物所所长期间也一直把办公室“设”在实验室旁 。他说“就是为了多跟学生在一起” 。
“包信和老师经常晚上10点左右还要找我们探讨当天的实验结果，分析实验现象背后的原因 。”大连化物所研究员傅强说 。
立志实现“从0到1”的突破
随着纳米限域催化概念的提出和完善，包信和指导研究团队另辟蹊径，尝试将控制反应活性和产物选择性的两个催化活性中心分开，让它们“各司其职”，形成一种新型复合的双功能催化剂体系 。
实验结果令人十分振奋，合成气制低碳烯烃反应中目标产物的选择性大大提高 。2016年3月，《科学》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，认为该过程未来在工业上具有巨大竞争力 。
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