以限制求突破 他们用20年提出催化原创新概念
——记国家自然科学奖一等奖纳米限域催化
“我一直在想，怎么把我们的研究给大家说清楚。”接受媒体采访之前，包信和院士显得还有些苦恼，这位大科学家特意跟记者们嘱咐：“我讲得未必好，待会要是有不清楚的地方，你们尽管问。”
此次，以中国科学院院士包信和等人为主要完成人的中科院大连化学物理研究所团队因纳米限域催化获得2020年度国家自然科学奖一等奖。
这是一趟持续二十多年的科学求索旅程。成功的关键之一，包信和说得朴实：你要下功夫，脑子里要一直琢磨。
一个原创概念 一条煤化工新路径
纳米限域催化，乍听确实艰深晦涩。
包信和展示了两张图。一张图，是关在笼子里的猛兽。“哪里有压迫，哪里就有反抗。”被关起来的猛兽，总会比较暴躁。
第二张图，是乒乓球。把乒乓球拍压向球台，当你的拍子越压越低，乒乓球上下弹动的频率也会越来越快。
“限制，会改变很多事情。”包信和说，用更学术的词，叫“限域”。
催化，能改变化学反应的速度。做催化，追求的是高活性和高选择性。但是，这两者在很多反应过程中是耦合在一起的——转化率高时，选择性就低了，常常是一对矛盾。
20世纪90年代，包信和从德国的马普研究所回到中科院大连化物所，一直带领团队从事纳米催化的基础和应用研究，追求着对催化过程的准确理解和对催化剂的理性设计。
团队先是发现了碳纳米管独特的限域特性——碳纳米管内铑锰催化剂催化合成气转化为乙醇等碳二含氧化合物的活性比管外更佳。
从现象挖掘本质，团队发现，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。这是一种广义的限域，限制是一种电子状态，让催化剂始终保持“吃不饱”的状态，让催化反应能够持续进行下去——这被称作纳米界面限域。
团队基于纳米限域催化概念，实践应用于煤经合成气直接转化催化剂的设计，实现了高选择性一步反应获得低碳烯烃。
曾经，“费托合成”过程被奉为煤化工领域的“圣经”。要想把煤转化为液体燃料和其他化学品，费托反应是大家的不二选择。这一反应从原理上涉及一个水循环：要用大量的水去制取更多氢气，同时反应还会产生废水。
而且，传统费托合成中低碳烃的选择性最高是58%，也就是说，很难高选择性得到低碳烯烃产品。
我国煤资源丰富的地区，多为干旱或半干旱地区。水耗是制约煤化工发展的一大难题。
包信和带着团队另辟蹊径，利用纳米界面限域概念，稳定氧化物催化剂表面配位不饱和的氧缺陷活性中心，提高合成气中一氧化碳解离和加氢形成中间体的活性；再利用纳米孔道限域作用，调变中间体小分子在分子筛中偶联的选择性，从而对目标产物的选择性进行精准调控。
这种催化，实现了高活性和高选择性的“双赢”。
更让人振奋的是，基于新概念的转化路径，可以实现低耗水进行煤转化，为我国的能源革命提供支撑。
基于该项创新成果，通过与大连化物所刘中民院士团队及陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，世界首套千吨级规模的煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置已经建成，并于2020年成功完成工业全流程试验，验证了技术的可行性和先进性。
二十年坚守 他们乐在其中 把冷板凳焐热
从发现现象到提出概念再到付诸应用，已经过了20多年。
包信和团队始终坚守。“比如说合成气高效直接转化技术，确实是比较难的。但我们希望我们能有人做出来。”有一段时间，国内外有上百个研究团队在做相关研究。
这一方向热闹过，也冷过。包信和有一句名言——只要方向对，再冷的板凳也能焐热了。
怎么坚持？
包信和倒是轻描淡写：“反正我们干的就是这个嘛，而且做的过程中也不断有新的成果会出来，也是有乐趣。”
和团队成员交谈，也能感到这种纯粹的热爱。
中科院大连化物所研究员邓德会告诉科技日报记者，当你在追求科学真理，在为问题寻求解决方案时，根本不觉得自己是在“坚持”。“外人看我们很辛苦，但我们很开心啊。”他笑了。
为了研究，他们经常凌晨从所里打车回家，连出租车司机都感叹他们加班得太晚。“但在我们看来，这不叫‘加班’。”中科院大连化物所研究员傅强说，不过就是全情投入，忘了时间。
包信和团队并不以“高产”著称。他的要求是，实验过程一定要严谨，结论一定要经得起推敲。在发表之前，他们会反复验证。团队不求量，但求质；不求快，但求掷地有声。
纳米限域催化，是中国科学家提出的原创性概念。它得到了成功实践，也为催化剂设计走向精准建立了理论基础。能有这种基础研究层面的突破，包信和坦言——需要你脑子里一直琢磨。
团队成员、中科院大连化物所研究员潘秀莲和包信和共事多年。她感叹，包老师是一个纯粹、谦逊和勤奋的人，他最大的爱好，就是科研。包信和现任中国科学技术大学校长，但他总会找时间和团队讨论科研。
有时，新发现的“导火索”，确实来源于所谓的灵光一闪。但前提是，脑子里有科学，没那么多杂念。
“要有原创性发现，你一开始就必须设置‘从0到1’的目标，要有‘诗和远方’。而且，研究者要下功夫，一定要在研究一线，和团队在一起，和学生在一起。”包信和曾在学生迅速翻页的PPT报告里找到线索，为研究又打开新天地。如果不是一直琢磨，一直惦记，很多时候，一闪而过的现象，未必抓得住；对突然异常的数值，也未必能有敏感度。
“脑子里要有这件事。”包信和说，“就比如现在，我连睡觉的时候都在想，怎么能把纳米限域催化讲得更通俗。”
概念能不能上升为理论，能不能用更简洁优美的数学公式表现，能不能在工业应用中得到验证……前方还有长路。包信和说得诚恳：“我们现在就是研究到这个程度，也不要夸大。”（记者 张盖伦）
来源：科技日报
