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我所“纳米限域催化”成果荣获2020年度国家自然科学奖一等奖

  11月3日上午,2020年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重召开。我所包信和院士、潘秀莲研究员、傅强研究员、邓德会研究员的“纳米限域催化”成果荣获2020年度国家自然科学奖一等奖。

 

  作为核心技术,催化在能源转化、材料合成、环境保护及生命健康等领域发挥着决定性作用。精准调控化学反应过程一直是催化化学追求的目标,在当今能源高效转化、资源优化利用及生态环境优化的需求推动下,需要催化过程更加温和,催化反应更加精准和高效,催化科学和技术正面临着创新变革的巨大机遇和挑战。

  自上世纪90年代中开始,包信和带领团队从事纳米催化的基础和应用研究,孜孜不倦地追求着对催化过程的准确理解和对催化剂的理性设计。经过20多年的潜心研究和实践,研究团队借助纳米尺度的空间限域效应对体系电子能态进行调变,实现了催化性能的精准调控,提出“限域催化”概念;进一步将研究拓展至二维界面以及活性中心微环境等相互作用系统对电子能态的调变,从实验和理论上阐明“限域”效应保持催化体系在反应过程中的活性状态以及维持催化体系循环往复的内在机制,从而明确定义和系统创建了具有广泛意义和普适性的“纳米限域催化”概念,为精准调控化学反应的性能和反应路径打下了坚实的基础,丰富和完善了催化基础理论,引领和推动了催化科学和技术的发展。

  “纳米限域催化”概念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,引起了国内外同行的高度关注和重视,相关领域成为当今催化基础研究和应用实践的热点之一。

  在“纳米限域催化”概念引导下,包信和团队多项代表性应用成果也已经走到了工业试验阶段。基于界面限域概念设计了配位不饱和的纳米氧化物与贵金属匹配的复合催化体系,用于一氧化碳高选择催化氧化反应。创制的铂铁(Pt-FeO)催化剂与商用燃料电池系统匹配,室温下将重整氢气中30ppm一氧化碳高效脱除到1ppm以下,连续工作超过3500小时,解决了原料氢气中微量一氧化碳造成燃料电池催化剂失活的难题。采用氧化物界面限域稳定的氧缺陷活性中心与具有纳米孔道限域择形效应的分子筛耦合,创立OXZEO®催化体系,实现了煤经合成气一步高选择性直接制取乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烃,从原理上摒弃了近百年来煤转化过程采用的传统费托合成路线,省去了耗水、耗能的水煤气变换和水-氢循环过程,并成功突破了目标产物分布的选择性理论极限(ASF)。包信和院士团队成功拓展OXZEO®催化剂设计思想,初步创建了煤经合成气转化新技术平台,实现了系列高值化学品和燃料的定向合成,引领了节水、节能高效煤化工发展的新方向。(文/图 傅强、潘秀莲、邓德会)

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