第576期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《奇妙的催化》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——奇妙的催化
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：包信和，中国科学院院士。
何鸣元，中国科学院院士。
讲座时间：2024年7月8日～7月14日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——奇妙的催化
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。一说到化学，很多人会觉得离我们很远，其实在我们的生活当中，化学无处不在，比如说植物的光合作用，还有我们人体的消化，这都是化学反应。在化学反应过程当中，有一种奇妙的物质叫催化剂，可以加快化学反应的速率，最近呢，我国的科研团队在催化领域，取得了巨大的突破。这项科研成果，可以说对未来的化工工业会带来巨大的变化，我们通过短片来进入我们今天的节目。催化反应是化学反应的一种，从它被发现起就引起了科学家们极大的兴趣。因为它可以改变化学反应的速率，这让很多化工产品有了量产的可能，比如化肥、药物、塑料制品、合成纤维等等。目前工业中85%以上的化学反应都是催化反应，催化领域中理论的突破往往会给工业生产带来新的发展，老百姓也会从中获得质量更好、价格更优惠的日用品。我国科学家包信和院士团队采用纳米技术，在催化领域实现了重大的理论突破，这究竟是一种什么样的新理论？它又将如何服务于生产和生活呢？我们今天请来的两位嘉宾，中国科学院院士包信和，接下来一位要为大家介绍的是中国科学院院士何鸣元，欢迎您！
催化剂的概念是什么？催化实际上是一个化学的概念，大家都知道这个化学反应是两个分子要反应，反应后变成产物，但是往往这个反应就非常慢，这个时候就加上一种物质，我们把它叫做催化剂。通过这个催化的过程，使一个比较慢的化学反应，就变得就是比较快。我们中学里大家都可能都经常讲，这个合成氨是高温高压催化剂，所以这个催化剂实际上就是起到催化的作用，使这个合成氨的反应速度加快。那么现在大家都知道，这个化工（生产）过程当中，化学反应涉及到化学反应，应该有85%以上的都是催化反应，也就说你没有催化剂，就是很多化学反应，它是没有办法很好地发生，所以也没有办法得到这个产品。我们比如说这个最简单例子，像做馒头，做馒头可以，我们一般可以用老面，也可以用酵母，那么实际上不管是老面还是酵母，它都是一种催化剂。那么如果没有这种催化剂，这个做馒头基本上就做不成功，这个发酵它就是一种淀粉酶，淀粉酶先把这个淀粉第一步催化，转变成糖，再把这个糖再催化转变成二氧化碳。你知道二氧化碳是气体，气体以后在高温情况下，它就在这个面团里面就形成这个孔，因为它气体占了这个孔，一蒸出来馒头就疏松，就好吃。那你要假如说没有这个发酵，它蒸出来馒头就实的，就不好吃，但你要假如说把这个酵母加得太多以后，它可能就是反应过度了，蒸出来就是酸的，它就把酒精这样东西就进一步氧化变成酸，那么就是酸的。实际上整个这个过程当中，方方面面都是有很多的催化的概念在，只是我们人没有注意到。
就发面这个酵母就属于催化剂，实际上在我们生活当中很常见，我们大家知道了，我们生活当中可以见到的，可以摸得着的这种催化剂。实际上你摸不着的催化剂还很多呢？就是人体里面实际上也有好多都是（包含）催化（反应）的。在我们身体里有？对，你吃进去比如说淀粉，它怎么会变成能量，实际上就是通过这些不同的催化剂的酶，催化的这个反应。把你吃进去东西变成能量，或者长成你不同的这个肌肉，或者脂肪这些东西，都是催化剂的这样一个过程。我觉得我们现在天天讲这个二氧化碳，空气里的二氧化碳多了就不行，所以二氧化碳怎么利用呢？我在跟学生讲课的时候，经常拿出一棵树（举例子），这棵树那么大，要几个人抱起来，那么这棵树到底怎么会长那么大？这木质素从哪来的？那么实际上就是它大部分是通过树叶把大气里面的二氧化碳跟水结合到一块反应的，我们现在人工的要做这个反应是很困难的，做来做去做不过自然界，做不过植物。而这个植物呢，这个树叶里边主要是通过叶绿素之类的一些催化转化反应的一些物质，那么它就可以把二氧化碳吸收了，所以把大气里面的大量二氧化碳吸收，变成植物体本身，那么这就是非常奇妙的一个催化过程。所以我们在今天的节目当中主题催化的前用了一个奇妙的催化，催化到底有什么样的作用？催化的化学反应到底带来了什么样的改变？
我们讲催化，那么实际上是讲反应，催化它是一种化学反应。那么这就是用催化剂来提高这个反应的速度，提高反应的活性。另一方面，就是在反应过程里边来提高这个产物的我们所需要产物的选择性，所以我觉得从科学角度看，催化主要是起这两方面的作用。您能更贴近生活地给我们生动地解释一下吗？对，我举个简单这个例子，大家知道氢气跟氧气这个两个分子，它从热力学角度来讲，它很容易反应变成水，放出能量出来，但是平时情况之下，你氢气跟氧气摆在一起，你是怎么它也不反应。但是你一定要加上一个物质在里面，比如说加上铂就是铂粉，这样它就很快一下子就会氢气跟氢气反应了。我记得我们学催化的时候，都有一个就是大概是一八几几年德国一个科学家做了一个点火器，这个点火器，因为当时是没有火柴的，这个点火器实际上就是通过一个反应产生氢气，把这个氢气吹到一个催化剂，一个铂的催化剂的铂粉的这个表面上。因为在很低的温度情况下，氢气跟空气中氧气它就反应，一反应以后它就热，一热以后，它就把这个木头就烧起来了，所以它这就是一个很好的点火器。所以你要假如没有这个催化剂，氢跟氧摆在一起，它怎么地也不能反应，就是两个分子。你首先它要能反应，那么能反应以后呢，但是它不一定就是真正地反应起来，它首先要爬过一个高山，它要有能力爬个这个高山以后，它才能反应。
你爬不过这个高山，它就不能反应。比如说我举个简单例子，可能不恰当，就是一对情人也到了结婚年龄了，两个人也是情投意合，他要可以结婚，谈婚论嫁了，但是家里就要很高的彩礼。就是说他想这个结婚，但是这个很高彩礼就是一个山，这个山你就没办法爬过去，没办法爬过去的话，你这个还是结不成这个婚。但这个时候，假如说你想到这个办法，比如说什么分期付款，或者用其他的什么，就把这个彩礼，一下子负担你就降低了，降低了这个彩礼就能负担得起了。负担得起以后，他就会能够顺利结婚就终成眷属，所以这个催化反应，实际上也就是说，把这个本来很高的我们叫活化能力这个山把它降低，或者把一个高山分成几个小山。这样让大家，让这个反应能爬过去，这样反应就能够比较比较好地进行了，这个催化就起到这样一个作用，就是改变这个活化能，就是我们改变能力这个高低。我觉得今天两位院士举例子非常接地气，非常生动。
纳米限域催化，这个限域我们怎么理解？这个“域”这个中文字，实际上就是字面上的意思，就最早意思呢，就是在一个疆界里面的一个范围，实际上是一个空间的概念。对科学家慢慢引申，就不光是一个空间的概念，它（域）引申（的）是某种程度或者状态，所以就是我们把这个这种限域在某一个空间当中这样一个过程，我们最后就把它叫作狭义的限域。那么把它这个维持某一个状态不变，就是把它限制某一个状态变化的这个过程，我们就把它叫成广义的这样一个限域，所以这个限域，实际上就是把它限制在某一个空间，或者限制在某一个状态情况之下，这个对催化反应都很重要。纳米限域又跟限域联系到一块儿，这又怎么理解呢？假如我前面这个限域这个空间概念，大家比较明白的话，那么也就是说把这个空间小到纳米尺度，那就是纳米限域是不是。那么可能人家就问，那为什么要纳米限域呢？纳米限域有什么作用呢？纳米已经是非常小的这个单位了，在那么小的地方，你还要限它有什么意义？
大家知道自然界当中这个物质，一般都是分子、原子组成这样一个物质，那么原子呢，一般都是有电子的。电子它是运动的，它本来是很自由自在的，我要跳哪儿跳哪儿，现在突然一下被限制起来了，它没法子跳了，那这是电子的整个状态。它运动的能量，包括这种都在变化，它这个一变化以后，组成的这个物质，它的这个特性就在变化了。这个变化了以后，肯定会造成这个物质催化性能发生变化，所以这个就给了我们一个非常重要的一个途径，就是我通过调节这个体系的大小，从而就改变了这个物质的特性。假如是催化剂的话，它就改变了催化剂的性能，这样就是我们就多了一个手段，就是可以来调变。我们为什么对化学转化特别重要（重视）？因为化学分子的尺度就是在零点几个纳米一般，尤其我们大量研究的小分子都是零点几个纳米，所以如果我们把催化剂，把它的孔道或者是它的界面，缩小到这个纳米的范围的时候，都对分子的作用都特别敏感。比如说我们的金，金是一个很惰性的金属，所以你放在那儿几百年，几千年它都不变，当然如果把它变成一个纳米的，三个纳米左右的一个尺寸，它就非常活泼，它就是一个非常好的催化剂，那么甚至催化过程里边，它自己也会发生变化。
实际上就刚刚何总讲的一个概念，就是什么呢？就是说你把一个东西自由地让它运动，同你限制它的运动的范围，就把它限制在一个很小范围以后，它的状态是不一样的，这种状态的不一样，就造成了它的整个的性质就是都是不一样。那我曾经在答辩的时候，我举了一个例子，大家当时也认为是蛮有意思的，就是乒乓球大家都打乒乓球，这个乒乓球假如在这个台子上，这个乒乓球这样拍，这个乒乓球嗒嗒嗒嗒跳，比较有规律地跳的。但你突然一下，假如把这个乒乓球拍子一压，压到这个很低，那你就相当于这个里面这个球跳的速度就快了，嗒嗒嗒嗒就跳起来了。那么就它本来是自由的，你一压压了以后，它跳得就很快，那么这个跳得很快，在科学上来说，假如这个电子跳得很快了，它的能量就高了，这个材料的整个特性它就变化了。就可以为我所用。就是这样，我就可以通过调节这个高低，到底你留它多少空间，让它调节这个运动的速度，那这样就给了我们一种可能性，来调控这个自然界，就用纳米调控的方法来调控这样一个东西，它来对催化起到这个影响。但你调控以后到底是好了还是坏了，这个我先不去管它，就是最起码我有这个手段，通过调控这个尺度的大小。在这我们看不见的世界，肉眼看不见的世界，可以控制它的运动规律，改变它的特性。是的。我们通过短片来看一下。
纵观人类文明发展史，每一次科学理论的重大突破，都会给人类的生活带来日新月异的变化。例如牛顿万有引力理论的提出，在天文学及航天学上的应用，让人类对天体运动有了更深刻的认识，为人类探索宇宙奥秘、实现飞天梦想提供了理论支持。这些理论虽然不能即刻带来经济效益，但它们却可以带来更多有意义、有价值的东西，改变着人类对客观世界的认识，改变人类的生产方式、生活方式和经济结构，那么纳米限域催化这项新的科学理论的突破，它会对化学反应、工业生产甚至普通人的生活，产生怎样的影响呢？像这样一个科研成果，它突破的意义包括哪些内容呢？我想实际上这个很重要的事情就是发现或者提供了一种方法，有了这个方法以后，我可以来调变这个催化剂，就是可以改变刚刚像讲的通过宏观的调控，来调控微观这个世界当中这样一个，这是一个科学的事。第二个事情，就是它是有一些原来不可行的事，它变得可行了。原来这个催化反应不发生，或者是这个发生选择性很低，通过这个纳米限域调控以后，把原来就是不可能发生或者反发生很难的这个反应，就变得可行了。第三个事情，我想也是这个催化大概是1835年左右提出这样一个概念出来，完整的一个催化的理论也还是没有，所以我们这些工作肯定是在某种意义上就是给这个未来催化理论，提供了一些这样一个基础，或者也是对这个催化理论的完善，也是提供了一些这样一个支撑。
我们对目前这样一个发现，跟认识的提高，对于我们资源的利用，尤其是（煤）炭资源的利用有极大的促进，我们讲煤的资源变成合成气，合成气然后再转化成功（为）各种不同的产品。而这个转化都需要在反应当中，我们研究是转化的反应，反应就有反应的不同的活性的中间体。目前这个纳米的限域的体系，是一个非常好的体系，那么这个体系给提供了非常大的可能性，使所有的活性中间体，在这个碳的体系里边，它的转化，相互转化的自由度大幅度提高。这一项科研成果，或者是一项科研理论，它的实际应用到底是怎样的，到底在实际当中解决了什么问题？这样一个技术，一个非常重要的应用，就是我们是从煤里面做烯烃这样的事，那么大家都知道这个烯烃我们是无处不用的。就是我们现在每个人拿在手里，就像你拿的这个平板电脑，整个的这个壳都是塑料做的，包括我们穿的这个衣服，有好多都是合成的材料，它最基本的就是烯烃，就是来做成这样。但以前我们这个烯烃，基本上都是从石油来做，那么我们中国大家都知道是一个缺油的国家，但是相对来讲，煤还是比较富裕的，所以我们这个项目，很大的一个重要的方面就是怎么从煤开始，比较方便地得到我们日常需要的这个烯烃。但是这个煤化工，大家可能也都知道，就是国内发展以后，煤化工一个非常大的特点，就是你一定要用水，就是说基本上有些地方就是说根据水的这个情况，来批这个煤化工的这样的项目。就是你没有水，你是不能做这个煤化工的。但是我们这样一个过程一个非常大的进展，就是把这个工艺当中水的循环就拿掉了，所以这样也就是应该大家方方面面都比较推崇，比较感兴趣这个项目。不仅仅解决了环保的问题，同时解决了很多工业生产当中的瓶颈问题，我们看看相关的短片。
烯烃是重要的化工原料，小到生活塑料，大到航天飞机，都离不开烯烃。我国科学家自主研发的煤经合成气制烯烃技术，就是在纳米限域催化原理的指导下，取得了重大的突破。打破了国际上沿用90多年的费托合成技术，创造性地采用一种复合催化剂，将煤气化产生的合成气直接转化，高选择性地一步反应获得低碳烯烃，缩短了工艺流程，可显著降低工艺水耗和过程能耗，开创了一条从煤制烯烃的新捷径，未来将产生很高的经济效益。从我们自己就是这个团队来讲，实际上我们有做了两个比较大的应用，实际上前面我也跟跟大家也都讲到了，就是这个氧化铁摆在铂的上面，能够非常高地选择性地就是把这个一氧化碳，氧化成这个二氧化碳，大家就问有什么用呢？比如说现在我们燃料电池，就是氢氧燃料电池烧氢的，但这个氢里面，占有非常微量的一氧化碳，这个燃料电池很快就会中毒，这个燃料电池就失活，这是一个非常大的难题。怎么能在大量的氢气当中，把这个微量的一氧化碳把它消除掉？那我举个例子，大概就是十万个氢的分子当中，混了一个一氧化碳的分子，就同我们今天这个新冠病毒一样的，可能十万个人当中就是一个这样子，你要能把他找出来，找出来一个人，你还要把它（一氧化碳分子）反应变成了二氧化碳。而且这个氧不能跟氢反应变成水，就它的选择性要特别地高。是相当地精准。相当地精准，所以我们就用了我们这个限域的氧化亚铁，在这个铂上面，用它配位不饱和的这样一个活性中心，来精准地把这个大量氢气当中很微量的一氧化碳把它拿走。拿走以后，它后面这个燃料电池失活这个问题就解决了，我们这个也跟企业合作了。在企业是不是应用很多？
在企业上这个燃料电池，这个上面它会用到这个，我们就是已经在企业已经做了3500小时这个催化剂的，就是它的稳定性都是有的，所以这个也是一个很重要的应用。跟我们普通人这个直接的关系是什么，何院士能给我们补充一下吗？如果说跟直接关系就是比如我们对二氧化碳问题，二氧化碳的转化，那么我觉得就是我们现在也讲2060实现“碳中和”。这个“碳中和”就要把我们排放的二氧化碳，都应该是你排放多少就回收多少，那么这点我觉得就是我们觉得我们应该提倡一个二氧化碳化工的问题，所以我觉得如果我们做到这一点，把集中排放二氧化碳能够回收以后，搞一个集成的装置，可以很快地把它回收过来。这个装置里边的过程跟催化、催化剂，那么用我们的纳米限域催化这个原理，就有可能，起码可以促成这个这样一个过程的实现。所以说您所说的对百姓生活的意义，至少在环保方面起到非常重要的作用。对，一个是资源，一个是环保。我是搞化学、搞化工的，我自己也有这个感觉，一提到这个化学化工，大家都还是有点。觉得是有毒的。就是会爆炸，有时候这个化工厂爆炸，还是很可怕的。但是你仔细再想想，这个化工厂为什么会爆炸？当然这个问题也是很多，但是一个非常重要的事情就是化工厂里面有些化工反应，都是高温高压的反应。那么为什么这个反应一定要是高温高压呢？实际上很大程度上就是它的催化剂的活性不够，未来腌制不同催化剂以后，它可能会出来好的催化剂，能够降低这个风险。
还有一个，就是大家都知道化工化学是污染的，经常就是说讲的化学污染，实际上这个污染就从我们化学角度来讲，实际上没有哪一个分子是不好的，或者是污染的这个分子，它不过就是你本来要得到这个东西，你没得到，你就说这个是不好的，是副产品，是污染了。对化学反应来讲，它就希望我要做这个A到B，我就希望百分之百地得到A到B，就选择性也很高。但是假如它不能百分之百地得到，所以未来你假如说催化剂的效率提高以后，就是能百分之百地能得到A得到B，那这样我这个污染实际上也能够消除。就解除了这个问题，所以也就说这个催化的研究。也不光是我们这个纳米限域催化，整个这个催化的研究，对未来这个化工企业，解决比如说在常温常压，百分之百的这个选择性实现这个愿景的目标，是会有很大的作用的。这个对每个人都会息息相关，就是环境啊，包括这个安全问题，都是息息相关的。之所以说我们这项科研成果是为人所不能为，就代表了它的对这个时代的这种意义。刚才我们听到了，可能是更多的用于工业的生产，那在其他领域当中，从未来展望的角度上，有没有可能有应用呢？
最近发现有很多的其他领域当中的效应，与这个纳米限域是有很大的关系，那因为我是从中国科技大学来，我们科大今年（2021年）就是有一个研究人员，发表一篇很重要的文章，就是讲在这个纳米的孔道当中，这个毛细管，就是这个水的液体的毛细的效应，都发生了很大的变化。那么变化以后，就会造成了很多的，就原来大家对热力学的认识，或者对整个的浸润过程，就会发现一个很大的改变，所以也就说这个纳米限域过程，实际上不光是在这个催化上面。我们国内还有一个科学家就是，也是我们中科院的江雷院士，那么他最近也是用纳米限域的这个概念，就在这个孔道当中发现有超流，所谓超流是什么呢？就是在这个孔道里面这个流的速度，比外面流的速度要快很多，那么这样它就是可能会发展出一些其他的这样一个概念出来，实际上我们现在知道这个超流，它也是一种限域造成的一个东西。那比如说我们大家要进一个口，进到一个地方去，假如说大家都挤在那里，可能走得更慢了，但是你要假如说把他限制好，排成一队或者两队，大家这样走过去，他反而走得快了。纳米限域在超流里面，就是通过这个限域效应，把这个分子排着队这样去走的，所以从这个地方来讲，纳米限域这个概念，不光是现在在催化当中有这样一个应用，实际在其他的领域里面都会有很多的应用可能性。就是说我们大家都在路上跑，当有一项科研成果出现的时候，我们相关的科学领域都可能产生相应的突破，是这样一个道理。是的。所以何院士您再给我们展望一下，这项技术在我们社会当中，如果广泛应用的话，那未来会给我们生活带来哪些改变？
我觉得刚才这个包老师讲得很好，包老师他是中国科技大的，所以他这个成果出来以后，在学校里边很多方面，实际上我们讲的是化学问题。我们讲分子转化，分子转化是一个纳米尺寸的概念，那么实际上这个纳米尺寸的概念，不光在化学里边，在物理、生物里面，我觉得都普遍有这种现象。我觉得生物的话对我们有更多的启发，比如说包老师讲人体，或者我们讲生物体、植物体，里边很多过程都是在纳米的范围里边。比如说管道到处都有，我们讲等级孔，这个孔道的限域，那么这是普遍存在的，所以我觉得如果从基础现象看，几乎可以说是无所不在。这样一个限域这个概念，实际上很早就有这样一个概念在这里面，我们就是把这个概念，用到我自己研究的这个催化的体系当中来，取得了一些这样一个，就是以前没有看到的这样一个结果。催化对每个人来说，应该说每时每刻都会碰到这样一个过程，所以这个催化未来的科技的进步，一定也会给人类带来一个非常大的这样一个生活的一个改变。今天我们应该非常感谢两位院士做客我们的节目当中，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多节目内容，可以下载央视频去分享其他节目。好了，今天的节目就到这儿，我是胜春，咱们下期节目再见。
