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能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為富煤少氣缺油，如何將煤和天然氣等非石油資源高效清潔地轉(zhuǎn)化為必需化學(xué)品和燃料有極重要的戰(zhàn)略意義。近年來，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所圍繞國家需求，積極探索煤和天然氣等傳統(tǒng)化石資源的高效轉(zhuǎn)化，經(jīng)過20多年的潛心研究，開創(chuàng)出一種以沸石為核心的非石油資源變革性技術(shù)——納米限域催化，并獲得了2020年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。那么，這種新技術(shù)究竟是什么？沸石究竟在其中發(fā)揮什么樣的關(guān)鍵作用？今天小國就來為大家全面解析其中的奧義。 Nano confinement change characteristics 催化在自然界普遍存在，2000多年前，中國人就懂得用酒曲造酒，現(xiàn)代化工產(chǎn)品生產(chǎn)更加離不開催化，農(nóng)業(yè)化肥中的氨就是靠催化劑合成的。然而，催化反應(yīng)是怎樣發(fā)生的？催化作用機(jī)理是什么？人們?nèi)匀徊磺宄?。揭開這一“黑匣子”，長期以來一直是科學(xué)家夢寐以求的目標(biāo)，解開催化的奧秘，將有助于精準(zhǔn)設(shè)計(jì)催化劑。若在理想狀態(tài)下，這意味著我們能精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)過程生產(chǎn)我們所需要的產(chǎn)品。歷經(jīng)多年研究和實(shí)踐，借助納米尺度的空間限域效應(yīng)，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所對體系電子能態(tài)進(jìn)行調(diào)變,實(shí)現(xiàn)了對催化性能的精準(zhǔn)調(diào)控，之后,他們將該概念拓展至二維和界面相互作用的電子調(diào)控體系，定義和創(chuàng)建了具有廣泛意義和普適性的“納米限域催化”概念，其為精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的性能和反應(yīng)路徑打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。如今，“納米限域催化”成為催化研究的熱點(diǎn)。那么，“納米限域催化”理論到底是怎樣把催化和納米結(jié)合起來的，實(shí)現(xiàn)重大突破的呢？Independent research and development, breakthrough and innovation 我國貧油、少氣、富煤，大量依賴進(jìn)口石油生產(chǎn)液體燃料和化學(xué)品關(guān)系到國家能源安全。乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烴作為一種重要的基礎(chǔ)化工原料，小到生活塑料、我們的衣服，大到航天飛機(jī)，也都與國計(jì)民生息息相關(guān)。長期以來，我國很難高選擇性得到低碳烯烴產(chǎn)品。然而，包信和院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)煤、天然氣等非石油資源高效清潔轉(zhuǎn)化，將研究方向鎖定在能源小分子轉(zhuǎn)化生產(chǎn)液體燃料和必需化學(xué)品領(lǐng)域，而“納米限域催化”就是這一問題的突破口。催化，就是加速化學(xué)反應(yīng)的中間商。在通常的條件下，某些化學(xué)反應(yīng)的速度很慢。但是，如果往化學(xué)反應(yīng)中加點(diǎn)兒料，這些反應(yīng)就會(huì)突然加快。打個(gè)極端的比方，原本需要幾百上千年的反應(yīng)過程，現(xiàn)在可能只需要一首歌的時(shí)間就能完成。這些被加入的料，雖然會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是反應(yīng)完成之后，它們又都會(huì)恢復(fù)原狀，完好如初，這就是催化劑。在催化反應(yīng)過程中，反應(yīng)物分子一般要與催化劑發(fā)生化學(xué)作用。為獲得更好的催化效果，在很長一段時(shí)間里，科學(xué)家依靠實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)的方式探索催化劑。這就像炒菜，咸了加水、淡了加鹽，最終選擇一種較好的方案。至于原料是怎樣變成產(chǎn)品的，往往只能依靠邏輯推理來想象。在化學(xué)工業(yè)中，85%的反應(yīng)都依賴于催化。催化作用的效果，直接決定了化工廠的效益。所以，提高催化效率，提升催化的精準(zhǔn)度，是化學(xué)家不斷追求的目標(biāo)，而這就需要提及下一個(gè)詞。1納米等于1米的十億分之一。我們常說的納米尺度，相當(dāng)于百十來個(gè)原子的大小?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種東西到了納米尺度，就會(huì)展現(xiàn)出各種新奇的特性，其都源于量子力學(xué)。例如黃金，平時(shí)是金黃的，看起來很貴重，但如果把金子磨成納米顆粒，它就會(huì)呈現(xiàn)出花花綠綠的顏色。
催化其實(shí)與這種情況雷同，例如以煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞枷N的過程為例，傳統(tǒng)金屬催化劑會(huì)讓一氧化碳中的氧跟氫氣發(fā)生反應(yīng)，這是因?yàn)檠鯐?huì)跟很多元素形成反應(yīng)。但是在納米尺度上，特定的催化劑就會(huì)改變氧氣特性，難以與氫結(jié)合。而氫氣只好和碳結(jié)合在一起，變成烯烴分子的前身（CH2-），這個(gè)反應(yīng)過程中的耗水明顯減少，而這就是納米尺度催化劑的神奇之處。
納米尺度的催化劑解決了耗水問題，但無法解決反應(yīng)中雜質(zhì)多的問題。因?yàn)闅浜吞冀Y(jié)合生成的烯烴分子的前身（CH2-），會(huì)再隨機(jī)地跟它周圍的各種分子組合，產(chǎn)生大量雜質(zhì)。因?yàn)檫@一過程是隨機(jī)的，很難控制。在此過程中，就要加入一種神奇的礦物——沸石，其能完全扭轉(zhuǎn)這一局面。沸石是一種天然硅鋁酸鹽礦物，其原子相互連接時(shí)會(huì)形成穩(wěn)定且規(guī)格恒定的納米級細(xì)微孔穴結(jié)構(gòu)，能夠起到分子篩的作用。當(dāng)烯烴分子的前身（CH2-）進(jìn)入這些孔道之后，它們就不會(huì)再隨機(jī)組合，而是會(huì)有序地組裝在一起，把化學(xué)反應(yīng)限制在分子篩孔道當(dāng)中，形成需要的低碳烯烴分子。這樣一來，副產(chǎn)物含量會(huì)大幅減少，產(chǎn)品產(chǎn)量會(huì)大幅提高，而這一過程就是“限域”。總之，納米限域催化，是催化反應(yīng)在納米尺度展現(xiàn)的一種特性。在這項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)之前，催化劑的特性是天生的，難以改變，但是依托于納米限域催化，技術(shù)人員能夠?qū)Α按呋瘎边M(jìn)行轉(zhuǎn)基因改良一樣，通過對催化劑特性的改造，大幅提高化學(xué)反應(yīng)的精準(zhǔn)度和效率，可以實(shí)現(xiàn)低耗水條件下的煤轉(zhuǎn)化，這項(xiàng)技術(shù)為我國的能源革命提供支撐，從原理上顛覆了國際上沿用90多年的費(fèi)托合成技術(shù)，其能克服傳統(tǒng)費(fèi)托合成中的兩大缺陷，不僅可以讓煤制燃油、煤制烯烴的過程基本少耗水，還能夠大大減少副產(chǎn)物含量，大幅提高產(chǎn)品的產(chǎn)量。這是中國基礎(chǔ)科研的一項(xiàng)重大突破，也是化工領(lǐng)域的一場重大革命！早在100年前，化學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了催化反應(yīng)，簡單地說，他們會(huì)先把煤炭轉(zhuǎn)化成一種混合氣體，然后再利用催化劑，將這種混合氣體轉(zhuǎn)化成燃油。這種反應(yīng)是由德國化學(xué)家費(fèi)歇爾和托羅普施發(fā)明的，所以叫費(fèi)托反應(yīng)。經(jīng)過了100年的實(shí)踐，它的確已經(jīng)發(fā)展成為煤制油和氣制油的關(guān)鍵核心技術(shù),國際上也普遍用這種方法制取低碳烯烴（包括乙烯、丙烯和丁烯）。低碳烯烴是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，由低碳烯烴可以生產(chǎn)塑料、橡膠、樹脂、顏料等等。但是遺憾總是難免的，采用傳統(tǒng)費(fèi)托合成制備低碳烯烴時(shí)存在兩個(gè)明顯的缺陷：第一，這個(gè)過程需要大量的水。第二，這個(gè)過程得到的產(chǎn)物眾多，因此性價(jià)比不高。沸石是火山巖漿噴發(fā)到特定的湖泊、海水中，經(jīng)億年沉積形成的一種天然礦物。最早發(fā)現(xiàn)于1756年，是瑞典的礦物學(xué)家克朗斯提(Cronstedt)發(fā)現(xiàn)有一類天然硅鋁酸鹽礦石在灼燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，因此將其命名為“沸石”。目前，沸石被國際社會(huì)譽(yù)為“生命之石、活力之石”，是被國際科研機(jī)構(gòu)認(rèn)定的一種可以覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)保新材料！其中，沸石對人類最大的貢獻(xiàn)包括在1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站核泄漏事故與2011年日本福島核電站核泄漏事故均大量使用沸石吸附去除放射性物質(zhì)，使核輻射區(qū)域短時(shí)間內(nèi)重現(xiàn)生機(jī)。目前天然沸石作為一種環(huán)保新材料，被廣泛應(yīng)用于綠色建材、環(huán)境治理、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧、國防等，并且它的用途還在不斷地開拓。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站核泄漏事故（上）與日本福島核電站核泄漏事故（下）天然沸石內(nèi)部充滿了細(xì)微的孔穴和孔道，比蜂房還要復(fù)雜得多，1立方微米具有100萬個(gè)納米級孔穴！沸石擁有巨大的比表面積，一克天然沸石粉的比表面積是400-1000平方米，一克改性沸石粉的比表面積相當(dāng)于一個(gè)足球場面積！由于沸石獨(dú)特的組成成分和物理結(jié)構(gòu)，賦予了其具有強(qiáng)吸附性、離子交換性、催化性、分子篩、耐酸堿、耐高溫、耐腐蝕的特性。其中，在前文所述的“納米限域催化”技術(shù)中，沸石就發(fā)揮了其催化性的特性。通常人們都會(huì)認(rèn)為沸石的催化性僅能用在石油化工領(lǐng)域中，實(shí)則不然。目前，天然沸石壁材作為一種新型的環(huán)保墻面裝飾材料，依托于天然沸石自身的催化性、強(qiáng)吸附性等特性，能夠有效催化吸附分解其他污染源釋放的甲醛、VOC、苯等有害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)即裝即住，真正做到了長久有效地凈化室內(nèi)空氣環(huán)境。 因天然沸石獨(dú)特的多孔隙物理結(jié)構(gòu)（孔徑為0.3nm ~ 0.7nm），使其擁有了巨大的內(nèi)外比表面積（可達(dá)到400m2/g ~ 1000m2/g）。由于天然沸石具有特殊的硅鋁結(jié)構(gòu)，使沸石自身會(huì)產(chǎn)生巨大的色散力，其表面擁有非常多的不飽和電荷，如磁力一般，可有效捕捉空氣中游離的甲醛、苯類等有害物質(zhì)。因此在家中使用沸石壁材裝修后，能夠?qū)⒀b修產(chǎn)生的甲醛、苯、VOC等有毒有害氣體有效吸附至沸石壁材內(nèi)部孔穴中。天然沸石的特殊結(jié)構(gòu)是由硅鋁酸鹽和鉀鈉離子組成的，會(huì)對吸附過來的甲醛、苯類等有害物質(zhì)分解成對人體無害的二氧化碳和水，且自身并無消耗，因此可以實(shí)現(xiàn)長久有效分解甲醛、苯類等有害物質(zhì)。也許很多小伙伴不明白其具體原理，用通俗易懂的語言來表示，就是天然沸石壁材與其他功能性材料不同之處在于，其不僅能吸附有害物質(zhì)，并且自身帶有催化分解功能，就如同人每天都吃飯一樣，把有害物質(zhì)吸附就如同“把食物吃進(jìn)胃里來”，然后被消化分解掉，因此真正做到了長久有效地凈化室內(nèi)空氣環(huán)境。 總之，沸石除了自身具有的催化性在許多重要的石油化工、綠色建材、環(huán)境治理領(lǐng)域中發(fā)揮出優(yōu)異性能，其他特性亦在不同領(lǐng)域中發(fā)揮出自身的重要功用。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，沸石專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的不斷深入挖掘，我們可以期待未來沸石將繼續(xù)被應(yīng)用于各項(xiàng)前沿成果研究中，在推動(dòng)中國各產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展上發(fā)揮更重大的作用！素材整理自：人民資訊、知網(wǎng)數(shù)據(jù)、得到頭條1. 包信和. 納米限域體系的催化特性[J]. 中國科學(xué): B 輯, 2009 (10): 1125-1133.2. Jiao F, Li J, Pan X, et al. Selective conversion of syngas to light olefins[J]. Science, 2016, 351(6277): 1065-1068.3. http://www.xinhuanet.com/politics/2016-03/04/c_1118235820.htm4 Primo A, Garcia H. Chem Soc Rev, 2014, 43: 7548–7561
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