编者案

面临我国能源供应紧张与高排放高污染的“两重压力”，国度天然科学基金委员会在2016年启动了国度天然科学基金庞大研究规划“碳基能源转化使用的催化科学”。历经8年，中国科学家经由过程多学科交织交融，于催化表界面基础研究、新型催化剂及催化历程的研发等方面形成为了特点，显著晋升了我国于催化范畴的竞争力。

包信及（左二）及团队成员。受访者供图

■本报记者 孙丹宁

从点亮第一盏电灯到驱动高铁飞奔，碳基能源这个听起来生疏的词语，早已经犹如现代社会的“血液”，深深融入人们一样平常糊口的各个方面。碳基能源以煤、石油、自然气等化石燃料为能量载体，经由过程燃烧及催化转化等方式开释能量，为现代社会提供连续不停的动力撑持。

然而，于我国能源布局中仍盘踞主导职位地方的化石燃料，其燃烧孕育发生能量的历程中不仅开释一些对于情况有害的物资，造成情况污染，同时还有排放年夜量被认为是温室气体的二氧化碳，致使我国面对能源供应紧张与高排放高污染的“两重压力”。

怎样实现碳基能源高效转化及清洁使用，包管国度能源安全，已经成为我国于能源范畴亟须应答的一个庞大战略挑战。

面临上述问题，国度天然科学基金委员会（如下简称天然科学基金委）提早结构，在2016年当令启动了国度天然科学基金庞大研究规划“碳基能源转化使用的催化科学”（如下简称庞大研究规划）。庞大研究规划由中国科学院院士、中国科学院年夜连化学物理研究所研究员包信及领衔，聚焦在碳基能源小份子高效催化转化这一焦点科学问题，颠末8年多的连续攻关，于催化表界面基础科学问题的认知、进步前辈催化表征技能及要领的成长、催化反映新历程的立异及财产化开发等各个层面都取患了庞大冲破，开端形成为了“纳米限域催化”等具备原创性的学术思惟，提出包括OXZEO双功效催化剂及接力催化于内的多个立异催化剂及催化反映历程，显著晋升了我国于催化范畴的竞争力。

近期，庞大研究规划顺遂完成结题评估。“咱们经由过程化学、化工、数理、质料等多学科交织交融，已经于与催化相干的基础理论及试验研究上取患上一些成心义的立异结果，充实阐扬及放年夜了我国于催化及表界面研究范畴的上风，于催化表界面基础研究，以和新型催化剂及催化历程的研发等方面形成为了特点，于国际上孕育发生了较年夜影响。”包信及说。

来自远古时代的能源

人类社会的成长史，就是一部碳基能源的使用史及能源技能的成长史。

早于远古时代，人类用薪柴点亮了第一代碳基能源运用的文明火种。工业革命时代蒸汽机的轰鸣，开启了煤炭驱动的新纪元，铁轨纵横交错，钢水奔流不息。石油及自然气的发明，尤其是内燃机的发现，同时动员了汽车、航空、帆海及系列重工业的迅猛成长，慢慢形成为了以化石能源为主的现代能源系统。

统计数据显示，2022年全世界一次能源消费中，化石燃料的占比到达了82%，此中煤炭27%、石油31%、自然气24%。然而，化石能源驱动的工业进程也带来了严峻的情况问题——由其支撑的工业勾当孝敬了全世界温室气体排放的80%以上。

我国资源禀赋出现“贫油、少气、相对于富煤”的特色，而跟着经济的迅速成长，能源供应整体不足、液体燃料欠缺等问题日趋凸显，同时二氧化碳排放、情况污染等压力也日渐增年夜。包信及先容：“于这类环境下，怎样保障国度能源安全，实现国平易近经济高效绿色成长，就成为一项庞大的国度需求。”

2010年的一次钻研会后，时任天然科学基金委化学科学部副主任陈拥军找到包信及，评论辩论起与能源相干的表界面研究。“表界面是由一个相过渡到另外一个相的接壤区域，是相邻两相物资接触的分界面，相较在任何一个纯相，其布局、电子特征，以和物理化学机能都有很新奇的特征。其运用范畴不仅包括催化，还有包括电化学、生物、质料、器件等，是化解能源危机的‘法宝’。”包信及告诉《中国科学报》，“以是咱们但愿从表界面研究入手，以催化科学为主攻标的目的，启动一个新的庞大研究规划，为解决能源问题孝敬催化的气力。”

为此，包信及等专家屡次于天下差别都会招集构造差别标的目的的催化学者，开展学术钻研、举行方案论证。然而，于第一年申报时却呈现了不测，当团队预备好质料提交申请并向天然科学基金委礼聘的多学科专家举行答辩时，评审专家却指出研究规模过在宽泛，焦点方针不敷聚焦。

“这促使咱们从头梳理思绪，思量‘紧缩阵线’。”中国科学院年夜连化学物理研究所研究员、庞大研究规划项目秘书傅强回首说，“咱们重复凝炼科学方针，锁定焦点科学问题，终极将研究主题从头锚定于最初的出发点——碳基能源的表界面研究，将气力堆积到破解碳基能源高效催化转化的秘密上。”

傅强进一步说：“咱们聚焦的碳基焦点是碳一化学，详细对准一氧化碳、二氧化碳、甲烷这三个要害份子。研究标的目的是以变患上清楚、详细。”

庞大研究规划项目组假想经由过程多学科交织交融，充实阐扬并扩展我国于微纳研究及表界面研究范畴的上风，力争于催化表界面基础研究方面形成中国特点，并进一步鞭策碳基能源的财产革命。

2016年1月，庞大研究规划经由过程充实的专家论证，正式获批启动。

“拧成一股绳”的团队

研究方针一经确定，由包信及、薛其坤、李永旺、谢于库、吴凯、孙世刚、胡培君、徐昕等多位范畴内学者构成的专家组，当即步履，顶层设计研究规划、构造研究步队，结构研究使命及标的目的。好比，重要身分为一氧化碳及氢气的合成气的高效转化、二氧化碳资源化优化使用、甲烷定向活化等脱颖而出，成为专家组的“骄子”。

“咱们给庞大研究规划设立了3个阶段：聚焦合成气直接转化，焦点是冲破传统费托合成工艺的局限，实现年夜幅节水与降碳；超过中间步调，实现甲烷的直接转化；霸占二氧化碳高效转化的难关——经由过程厘革性的高温电化学技能实现‘变废为宝’。”包信及先容，“此刻说二氧化碳转化，各人城市认为很主要，但10年前将这个标的目的作为重点研究还有是比力超前的、是要有点胆魄的。”

历经8年时间，来自天下50多所年夜学及科研机构的学者介入，统共115个项目得到资助，终极取患了一系列主要的研究结果。

庞大研究规划缭绕合成气直接制备低碳烯烃、芳烃与含氧化合物等主要历程，创制了高活性、高选择性双功效催化剂，其一氧化碳单程转化率达85%，低碳烯烃选择性达83%，低碳烯烃收率达48%，机能到达国际领先程度。于此基础上，他们还有建成为了合成气转化制高值化学品OXZEO及接力催化技能平台，为连结我国于合成气化学范畴的国际领先职位地方作出孝敬。海内外前后有40多个团队开展OXZEO及接力催化的相干研究，形成为了一支不变且于海内外具备主要影响力的合成气化学研究步队。

于甲烷等低碳烷烃的活化及转化方面，项目团队立异性提出用“份子围栏”计谋设计金属/份子筛催化剂，于低温下实现了17.3%的甲烷转化率及92%的甲醇选择性，并提出一种“反映引诱活性位原位天生”的新计谋，形成为了具备自立常识产权的全新烷烃直接脱氢技能。于甲烷氧化偶联、甲烷选择性氧化制含氧化合物、丙烷脱氢制丙烯等主要反映中，项目团队实现国际领先的催化反映机能，为于低碳烷烃催化转化范畴形成有影响力的“中国粹派”奠基了主要基础。

庞大研究规划不仅于海内，于国际上也引领了二氧化碳的电化学高效转化，率先摸索了高暖和低温两条二氧化碳转化路子，并联合电化学原位谱学等手腕，探究了溶液电解质中碱金属阳离子促成二氧化碳还有原作用机制。庞大研究规划还有提出“外貌化学场耦合电催化”的科学设法，并设计出兼具离子传导及协同二氧化碳活化的双功效离聚物，开发了首例工业级电流密度二氧化碳-纯水膜电解器制备一氧化碳或者乙烯技能，为二氧化碳资源化使用提供了科学支撑。

“咱们能于多个标的目的结构成长，离不开专家组的顶层设计，更是‘集中气力办年夜事’的表现，只有凝心聚力、合力攻坚，方能实现要害冲破，取患上更多研究结果。”包信及感触道。

“无用之用”的研究

除了了上述3个标的目的的研究，庞大研究规划还有前瞻性地将催化新观点摸索列为重点冲破范畴，并取患了系列原创结果。

“咱们先是提出了‘限域催化’观点，其实不断深化，将研究拓展至二维、界面、活性中央微情况等彼此作用体系，从试验及理论上阐明‘限域’效应的内涵机制。‘限域’效应不仅能维持催化系统于反映中的高活性状况，并且还有是实在现轮回再生的要害地点。基在此，咱们成长了更具普适性的‘纳米限域催化’新观点。”傅强先容。

这一结果得到2020年度国度天然科学奖一等奖，其科学价值也得到海内外偕行的广泛承认，今朝全世界已经有20多个研究团队对于其跟进研究。

与此同时，新观点也为工业运用指了然标的目的。包信及团队结合运用研究团队与企业，乐成建成并运行了全世界首套千吨级范围的煤经合成气直接制低碳烯烃工业实验装配，验证了该技能的可行性与进步前辈性。

包信及指出：“我国怪异的资源禀赋及百折不挠的可连续成长门路，决议了咱们必需紧紧把握催化科学自立立异的自动权。惟有云云，才能为国度于能源使用、资源优化及情况掩护等要害范畴的庞大需求，连续提供坚实的基础理论支撑与焦点要害技能保障。是以，于庞大研究规划中，咱们把原创观点提出及战略标的目的引领性研究置在主要位置。”

基在这一理念，庞大研究规划乐成成长了“OXZEO”催化系统、“接力催化”等新观点。这些结果配合为碳基能源催化科学范畴注入了强劲动力，让基础研究越发看重素质，动员了学科新标的目的的飞速成长。

对于在基础研究的深远价值，傅强深有感慨：“常言道‘无用之用，方为年夜用’，有些基础研究结果可能其实不能立竿见影投入现实运用，可是从久远来看会影响整个范畴的成长轨迹。庞大研究规划就给咱们提供了一个名贵机缘，让咱们可以或许放心做基础研究，摸索更深条理的纪律。”

于庞大研究规划的撑持下，项目团队造就了一批有立异能力的研究步队及优异人材，傅强就是此中之一。

回顾8年前初入项目团队时的青涩，傅强影象犹新。他坦言：“那是我第一次介入庞大研究规划。记患上首次于学术集会上向满座的先辈报告请示事情，紧张到手心都有些冒汗。”恰是于这个顶尖平台上，他获得了名贵的历练时机。“咱们每一次项目报告请示均可以自立报名。其时，专家们不停鼓动勉励咱们这些年青人要英勇展示本身的研究，斗胆交流，虚心听取各方建议。”傅强回忆道。

于一次次报告请示、会商与思惟碰撞中，傅强迅速发展。他从当初略显拘谨的青年学者，慢慢历练为可以或许独当一壁的研究组组长，并乐成得到天然科学基金委果青年科学基金项目撑持。谈和这段履历，他深有感慨：“庞大研究规划将志同志合的科研气力会聚起来。咱们于这里凝炼标的目的，会聚协力，终极办成为了很多单打独斗难以完成的年夜事。这段并肩攻坚的过程，是我科研生活生计中极为贵重的历练。”

于庞大研究规划的影响下，项目团队进一步鞭策设立了“十四五”国度重点研发规划“催化科学”重点专项，形成“原创催化理论，斥地催化科学新标的目的，成长自立研究要领，催生要害焦点技能”的整体方针，于已往5年已经经取患了丰硕的研究结果。

“催化科学”重点专项仍旧由包信及作为专家组组长，专家的班底也因此天然科学基金委果庞大研究规划为主。“将来，跟着人工智能（AI）技能的成长，尤其是跟着AI模子的靠得住性、数据的质量及多样性、差别技能的有用整合等问题的解决，催化科学将会越发主动化及智能化，有望鞭策碳基能源转化的催化科学研究迈上新高度。咱们国度于这一全世界必争的范畴中不克不及后进三木SEO-，要力争继承引领。”包信及说。

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