来源：科普中国

发布日期：2021-11-03

今天，2020年度国家科学技术奖颁布，其中，中国科学院大连化学物理研究所的“纳米限域催化”获得了国家自然科学奖一等奖。

“催化”是啥？让我们回想中学化学课上的概念。

“纳米限域催化”是啥？让我们花4分钟看个视频↓↓↓

人类的生产、生活都离不开化学反应，它关乎健康、环境、能源各个领域。实现对化学反应的控制是化学科学的核心和关键。如何让化学反应更精准、可控？这需要催化技术的帮助。

催化反应，通过催化剂与反应物的相互作用，改变化学反应的反应能垒，达到调控化学反应的目的。这种相互作用的本质，是反应物分子和催化剂粒子之间的电子相互作用。

科学家们发现，当粒子小到纳米级的时候，原本连续的电子能带会离散成一个个独立的电子能级，通过对电子态的精准调控，使反应物分子与催化剂“门当户对”，进而实现催化反应更精准的目标。

基于纳米粒子这样“有趣”的特点，包信和院士团队经过多年探索与攻关，在国际上率先提出了“纳米限域催化”的概念。

怎样理解“限域”呢？宽泛地说，限域是给催化反应体系提供一个有约束的环境。

团队首先在碳纳米管中发现了狭义限域催化的现象，碳纳米管空腔极为狭小，大概只有我们头发直径的六万分之一。在这极其狭小的空间内，催化剂纳米粒子显示出独特的催化特性。例如，团队将铑锰催化剂放在碳纳米管中，用于合成气直接转化制乙醇等碳二含氧化物的反应，它们感受到管内特殊的电子环境，产率比管外高一个数量级。

那么，广义的“纳米限域”又如何理解呢？

举个例子，亚稳态的氧化亚铁（FeO）很容易被氧气氧化成配位饱和的三氧化二铁（Fe2O3）而失去活性，团队在Pt表面“铺”了一层Fe和O原子，通过Pt与Fe的电子相互作用，对Fe原子进行“牵制”和“束缚”，形成Pt-Fe界面限域，稳定了氧化亚铁（FeO）的催化活性。不仅限于纳米空间，科学家还可以控制界面、气氛和环境等，这些都能约束稳定催化活性状态。团队因此提出了广义的“纳米限域”，也就是“纳米界面限域”的新概念。

团队将这一基础催化概念进行了成功实践。

燃料电池中，氢气含有的微量一氧化碳导致贵金属Pt催化剂“中毒”是领域中一直未能解决的难题。依据纳米界面限域的理论，团队创制了Pt-Fe界面限域催化剂，在室温下就可将氢气中微量的一氧化碳100%去除，解决了这一难题。

狭义、广义纳米限域概念两者被结合应用后，科学家们创立了氧化物-分子筛复合（OXZEO®）的催化新体系，近百年来传统费托合成产物分布难以逾越的理论极限也被一举突破！实现了合成气直接转化制低碳烯烃等高值化学品，引领高效、节水的煤化工发展新方向。

现在，纳米限域催化的概念已在国际学术界得到普遍的验证与公认，相信未来，它将推动催化学科的发展，在多个领域发光、发热。

以下是该媒体报道地址：https://www.kepuchina.cn/Article/articleInfo?business_type=1&classify=0&ar_id=AR202111031321553816