沸石在国家自然科学奖一等奖项目“纳米限域催化”发挥重要作用！

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沸石在国家自然科学奖一等奖项目“纳米限域催化”发挥重要作用！

能源是人类生存和发展的重要物质基础。我国能源结构的特点为富煤少气缺油，如何将煤和天然气等非石油资源高效清洁地转化为必需化学品和燃料有极重要的战略意义。近年来，中国科学院大连化学物理研究所围绕国家需求，积极探索煤和天然气等传统化石资源的高效转化，经过2

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能源是人类生存和发展的重要物质基础。我国能源结构的特点为富煤少气缺油，如何将煤和天然气等非石油资源高效清洁地转化为必需化学品和燃料有极重要的战略意义。近年来，中国科学院大连化学物理研究所围绕国家需求，积极探索煤和天然气等传统化石资源的高效转化，经过20多年的潜心研究，开创出一种以沸石为核心的非石油资源变革性技术——纳米限域催化，并获得了2020年度国家自然科学奖一等奖。那么，这种新技术究竟是什么？沸石究竟在其中发挥什么样的关键作用？今天小国就来为大家全面解析其中的奥义。

纳米限域改变催化特性

Nano confinement change characteristics

催化在自然界普遍存在，2000多年前，中国人就懂得用酒曲造酒，现代化工产品生产更加离不开催化，农业化肥中的氨就是靠催化剂合成的。然而，催化反应是怎样发生的？催化作用机理是什么？人们仍然不清楚。揭开这一“黑匣子”，长期以来一直是科学家梦寐以求的目标，解开催化的奥秘，将有助于精准设计催化剂。若在理想状态下，这意味着我们能精准调控化学反应过程生产我们所需要的产品。

历经多年研究和实践，借助纳米尺度的空间限域效应，中国科学院大连化学物理研究所对体系电子能态进行调变,实现了对催化性能的精准调控，之后,他们将该概念拓展至二维和界面相互作用的电子调控体系，定义和创建了具有广泛意义和普适性的“纳米限域催化”概念，其为精准调控化学反应的性能和反应路径打下了坚实基础。如今，“纳米限域催化”成为催化研究的热点。那么，“纳米限域催化”理论到底是怎样把催化和纳米结合起来的，实现重大突破的呢？

自主研发，突破创新

Independent research and development, breakthrough and innovation

我国贫油、少气、富煤，大量依赖进口石油生产液体燃料和化学品关系到国家能源安全。乙烯、丙烯、丁烯等低碳烯烃作为一种重要的基础化工原料，小到生活塑料、我们的衣服，大到航天飞机，也都与国计民生息息相关。长期以来，我国很难高选择性得到低碳烯烃产品。然而，包信和院士带领团队瞄准煤、天然气等非石油资源高效清洁转化，将研究方向锁定在能源小分子转化生产液体燃料和必需化学品领域，而“纳米限域催化”就是这一问题的突破口。

【催化】

催化，就是加速化学反应的中间商。在通常的条件下，某些化学反应的速度很慢。但是，如果往化学反应中加点儿料，这些反应就会突然加快。打个极端的比方，原本需要几百上千年的反应过程，现在可能只需要一首歌的时间就能完成。这些被加入的料，虽然会发生化学反应，但是反应完成之后，它们又都会恢复原状，完好如初，这就是催化剂。

在催化反应过程中，反应物分子一般要与催化剂发生化学作用。为获得更好的催化效果，在很长一段时间里，科学家依靠实验试错的方式探索催化剂。这就像炒菜，咸了加水、淡了加盐，最终选择一种较好的方案。至于原料是怎样变成产品的，往往只能依靠逻辑推理来想象。在化学工业中，85%的反应都依赖于催化。催化作用的效果，直接决定了化工厂的效益。所以，提高催化效率，提升催化的精准度，是化学家不断追求的目标，而这就需要提及下一个词。

【纳米】

1纳米等于1米的十亿分之一。我们常说的纳米尺度，相当于百十来个原子的大小。科学家发现，一种东西到了纳米尺度，就会展现出各种新奇的特性，其都源于量子力学。例如黄金，平时是金黄的，看起来很贵重，但如果把金子磨成纳米颗粒，它就会呈现出花花绿绿的颜色。

催化其实与这种情况雷同，例如以煤炭转变为低碳烯烃的过程为例，传统金属催化剂会让一氧化碳中的氧跟氢气发生反应，这是因为氧会跟很多元素形成反应。但是在纳米尺度上，特定的催化剂就会改变氧气特性，难以与氢结合。而氢气只好和碳结合在一起，变成烯烃分子的前身（CH2-），这个反应过程中的耗水明显减少，而这就是纳米尺度催化剂的神奇之处。

【限域】

纳米尺度的催化剂解决了耗水问题，但无法解决反应中杂质多的问题。因为氢和碳结合生成的烯烃分子的前身（CH2-），会再随机地跟它周围的各种分子组合，产生大量杂质。因为这一过程是随机的，很难控制。

在此过程中，就要加入一种神奇的矿物——沸石，其能完全扭转这一局面。沸石是一种天然硅铝酸盐矿物，其原子相互连接时会形成稳定且规格恒定的纳米级细微孔穴结构，能够起到分子筛的作用。当烯烃分子的前身（CH2-）进入这些孔道之后，它们就不会再随机组合，而是会有序地组装在一起，把化学反应限制在分子筛孔道当中，形成需要的低碳烯烃分子。这样一来，副产物含量会大幅减少，产品产量会大幅提高，而这一过程就是“限域”。

总之，纳米限域催化，是催化反应在纳米尺度展现的一种特性。在这项技术出现之前，催化剂的特性是天生的，难以改变，但是依托于纳米限域催化，技术人员能够对“催化剂”进行转基因改良一样，通过对催化剂特性的改造，大幅提高化学反应的精准度和效率，可以实现低耗水条件下的煤转化，这项技术为我国的能源革命提供支撑，从原理上颠覆了国际上沿用90多年的费托合成技术，其能克服传统费托合成中的两大缺陷，不仅可以让煤制燃油、煤制烯烃的过程基本少耗水，还能够大大减少副产物含量，大幅提高产品的产量。这是中国基础科研的一项重大突破，也是化工领域的一场重大革命！

沸石，神奇之石

Zeolite, magical stone

沸石是火山岩浆喷发到特定的湖泊、海水中，经亿年沉积形成的一种天然矿物。最早发现于1756年，是瑞典的矿物学家克朗斯提(Cronstedt)发现有一类天然硅铝酸盐矿石在灼烧时会产生沸腾现象，因此将其命名为“沸石”。目前，沸石被国际社会誉为“生命之石、活力之石”，是被国际科研机构认定的一种可以覆盖全产业链的环保新材料！

其中，沸石对人类最大的贡献包括在1986年前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏事故与2011年日本福岛核电站核泄漏事故均大量使用沸石吸附去除放射性物质，使核辐射区域短时间内重现生机。目前天然沸石作为一种环保新材料，被广泛应用于绿色建材、环境治理、工业、农业、畜牧、国防等，并且它的用途还在不断地开拓。

前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏事故（上）与日本福岛核电站核泄漏事故（下）

天然沸石内部充满了细微的孔穴和孔道，比蜂房还要复杂得多，1立方微米具有100万个纳米级孔穴！沸石拥有巨大的比表面积，一克天然沸石粉的比表面积是400-1000平方米，一克改性沸石粉的比表面积相当于一个足球场面积！由于沸石独特的组成成分和物理结构，赋予了其具有强吸附性、离子交换性、催化性、分子筛、耐酸碱、耐高温、耐腐蚀的特性。

其中，在前文所述的“纳米限域催化”技术中，沸石就发挥了其催化性的特性。通常人们都会认为沸石的催化性仅能用在石油化工领域中，实则不然。目前，天然沸石壁材作为一种新型的环保墙面装饰材料，依托于天然沸石自身的催化性、强吸附性等特性，能够有效催化吸附分解其他污染源释放的甲醛、VOC、苯等有害物质，能够很好地做到了长久有效地净化室内空气环境。

天然沸石壁材吸附催化分解甲醛原理

【吸附原理】

因天然沸石独特的多孔隙物理结构（孔径为0.3nm ~ 0.7nm），使其拥有了巨大的内外比表面积（可达到400m2/g ~ 1000m2/g）。由于天然沸石具有特殊的硅铝结构，使沸石自身会产生巨大的色散力，其表面拥有非常多的不饱和电荷，如磁力一般，可有效捕捉空气中游离的甲醛、苯类等有害物质。因此在家中使用沸石壁材装修后，能够将装修产生的甲醛、苯、VOC等有毒有害气体有效吸附至沸石壁材内部孔穴中。

【分解原理】

天然沸石的特殊结构是由硅铝酸盐和钾钠离子组成的，会对吸附过来的甲醛、苯类等有害物质分解成对人体无害的二氧化碳和水，且自身并无消耗，因此可以实现长久有效分解甲醛、苯类等有害物质。

也许很多小伙伴不明白其具体原理，用通俗易懂的语言来表示，就是天然沸石壁材与其他功能性材料不同之处在于，其不仅能吸附有害物质，并且自身带有催化分解功能，就如同人每天都吃饭一样，把有害物质吸附就如同“把食物吃进胃里来”，然后被消化分解掉，因此真正做到了长久有效地净化室内空气环境。

总之，沸石除了自身具有的催化性在许多重要的石油化工、绿色建材、环境治理领域中发挥出优异性能，其他特性亦在不同领域中发挥出自身的重要功用。相信随着科学技术的不断发展，沸石专业领域技术的不断深入挖掘，我们可以期待未来沸石将继续被应用于各项前沿成果研究中，在推动中国各产业高质量、可持续发展上发挥更重大的作用！