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“我一直在想，怎么把我們的研究給大家說清楚。”接受媒體采訪之前，包信和院士顯得還有些苦惱，這位大科學(xué)家特意跟記者們囑咐：“我講得未必好，待會(huì)要是有不清楚的地方，你們盡管問。”

此次，以中國(guó)科學(xué)院院士包信和等人為主要完成人的中科院大連化學(xué)物理研究所團(tuán)隊(duì)因納米限域催化獲得2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

這是一趟持續(xù)二十多年的科學(xué)求索旅程。成功的關(guān)鍵之一，包信和說得樸實(shí)：你要下功夫，腦子里要一直琢磨。

一個(gè)原創(chuàng)概念，一條煤化工新路徑

納米限域催化，乍聽確實(shí)艱深晦澀。

包信和展示了兩張圖。一張圖，是關(guān)在籠子里的猛獸。“哪里有壓迫，哪里就有反抗。”被關(guān)起來的猛獸，總會(huì)比較暴躁。

第二張圖，是乒乓球。把乒乓球拍壓向球臺(tái)，當(dāng)你的拍子越壓越低，乒乓球上下彈動(dòng)的頻率也會(huì)越來越快。

“限制，會(huì)改變很多事情。”包信和說，用更學(xué)術(shù)的詞，叫“限域”。

催化，能改變化學(xué)反應(yīng)的速度。做催化，追求的是高活性和高選擇性。但是，這兩者在很多反應(yīng)過程中是耦合在一起的——轉(zhuǎn)化率高時(shí)，選擇性就低了，常常是一對(duì)矛盾。

上世紀(jì)90年代，包信和從德國(guó)的馬普研究所回到中科院大連化物所，一直帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從事納米催化的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，追求著對(duì)催化過程的準(zhǔn)確理解和對(duì)催化劑的理性設(shè)計(jì)。

團(tuán)隊(duì)先是發(fā)現(xiàn)了碳納米管獨(dú)特的限域特性——碳納米管內(nèi)銠錳催化劑催化合成氣轉(zhuǎn)化為乙醇等碳二含氧化合物的活性比管外更佳。

從現(xiàn)象挖掘本質(zhì)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，除碳納米管外，金屬—氧化物界面也能穩(wěn)定配位不飽和的活性中心。這是一種廣義的限域，限制是一種電子狀態(tài)，讓催化劑始終保持“吃不飽”的狀態(tài)，讓催化反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行下去——這被稱作納米界面限域。

團(tuán)隊(duì)基于納米限域催化概念，實(shí)踐應(yīng)用于煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高選擇性一步反應(yīng)獲得低碳烯烴。

曾經(jīng)，“費(fèi)托合成”過程被奉為煤化工領(lǐng)域的“圣經(jīng)”。要想把煤轉(zhuǎn)化為液體燃料和其他化學(xué)品，費(fèi)托反應(yīng)是大家的不二選擇。這一反應(yīng)從原理上涉及到一個(gè)水循環(huán)：要用大量的水去制取更多氫氣，同時(shí)反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生廢水。

而且，傳統(tǒng)費(fèi)托合成中低碳烴的選擇性最高是58%，也就是說，很難高選擇性得到低碳烯烴產(chǎn)品。

我國(guó)煤資源豐富的地區(qū)，多為干旱或半干旱地區(qū)。水耗是制約煤化工發(fā)展的一大難題。

包信和帶著團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用納米界面限域概念，穩(wěn)定氧化物催化劑表面配位不飽和的氧缺陷活性中心，提高合成氣中一氧化碳解離和加氫形成中間體的活性;再利用納米孔道限域作用，調(diào)變中間體小分子在分子篩中偶聯(lián)的選擇性，從而對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

這種催化，實(shí)現(xiàn)了高活性和高選擇性的“雙贏”。

更讓人振奮的是，基于新概念的轉(zhuǎn)化路徑，可以實(shí)現(xiàn)低耗水進(jìn)行煤轉(zhuǎn)化，為我國(guó)的能源革命提供支撐。

基于該項(xiàng)創(chuàng)新成果，通過與大連化物所劉中民院士團(tuán)隊(duì)及陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司合作，世界首套千噸級(jí)規(guī)模的煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗(yàn)裝置已經(jīng)建成，并于2020年成功完成工業(yè)全流程試驗(yàn)，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性和先進(jìn)性。

二十年堅(jiān)守他們樂在其中，再冷的板凳也能焐熱

從發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象到提出概念再到付諸應(yīng)用，已經(jīng)過了20多年。

包信和團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)守。“比如說合成氣高效直接轉(zhuǎn)化技術(shù)，確實(shí)是比較難的。但我們希望我們能有人做出來。”有一段時(shí)間，國(guó)內(nèi)外有上百個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在做相關(guān)研究。

這一方向熱鬧過，也冷過。包信和有一句名言——只要方向?qū)Γ倮涞陌宓室材莒蔁崃恕?/p>

怎么堅(jiān)持?

包信和倒是輕描淡寫：“反正我們干的就是這個(gè)嘛，而且做的過程中也不斷有新的成果會(huì)出來，也是有樂趣。”

和團(tuán)隊(duì)成員交談，也能感到這種純粹的熱愛。

中科院大連化物所研究員鄧德會(huì)告訴科技日?qǐng)?bào)記者，當(dāng)你在追求科學(xué)真理，在為問題尋求解決方案時(shí)，根本不覺得自己是在“堅(jiān)持”。“外人看我們很辛苦，但我們很開心啊。”他笑了。

為了研究，他們經(jīng)常凌晨從所里打車回家，連出租車司機(jī)都感嘆他們加班得太晚。“但在我們看來，這不叫‘加班’。”中科院大連化物所研究員傅強(qiáng)說，不過就是全情投入，忘了時(shí)間。

包信和團(tuán)隊(duì)并不以“高產(chǎn)”著稱。他的要求是，實(shí)驗(yàn)過程一定要嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)論一定要經(jīng)得起推敲。在發(fā)表之前，他們會(huì)反復(fù)驗(yàn)證。團(tuán)隊(duì)不求量，但求質(zhì);不求快，但求擲地有聲。

納米限域催化，是中國(guó)科學(xué)家提出的原創(chuàng)性概念。它得到了成功實(shí)踐，也為催化劑設(shè)計(jì)走向精準(zhǔn)建立了理論基礎(chǔ)。能有這種基礎(chǔ)研究層面的突破，包信和坦言——需要你腦子里一直琢磨。

團(tuán)隊(duì)成員、中科院大連化物所研究員潘秀蓮和包信和共事多年。她感嘆，包老師是一個(gè)純粹、謙遜和勤奮的人，他最大的愛好，就是科研。包信和現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)，但他總會(huì)找時(shí)間和團(tuán)隊(duì)討論科研。

有時(shí)，新發(fā)現(xiàn)的“導(dǎo)火索”，確實(shí)來源于所謂的靈光一閃。但前提是，腦子里有科學(xué)，沒那么多雜念。

“要有原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，你一開始就必須設(shè)置‘從0到1’的目標(biāo)，要有‘詩和遠(yuǎn)方’。而且，研究者要下功夫，一定要在研究一線，和團(tuán)隊(duì)在一起，和學(xué)生在一起。”包信和曾在學(xué)生迅速翻頁的PPT報(bào)告里找到線索，為研究又打開新天地。如果不是一直琢磨，一直惦記，很多時(shí)候，一閃而過的現(xiàn)象，未必抓得住;對(duì)突然異常的數(shù)值，也未必能有敏感度。

“腦子里要有這件事。”包信和說，“就比如現(xiàn)在，我連睡覺的時(shí)候都在想，怎么能把納米限域催化講得更通俗。”

概念能不能上升為理論，能不能用更簡(jiǎn)潔優(yōu)美的數(shù)學(xué)公式表現(xiàn)，能不能在工業(yè)應(yīng)用中得到驗(yàn)證……前方還有長(zhǎng)路。包信和說得誠(chéng)懇：“我們現(xiàn)在就是研究到這個(gè)程度，也不要夸大。”