【中國科學(xué)報】“山水圖”里的催化劑新體系
“山水圖”形象展示了氫傳輸通道，揭示了催化劑作用。受訪者供圖
■本報記者 李清波 見習(xí)記者 孫丹寧
“這是我們的一稿，有26頁，但最終的定稿是63頁。”劉岳峰翻看著近日發(fā)表于《自然-催化》的文章介紹道。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員劉岳峰和山西煤炭化學(xué)研究所（以下簡稱山西煤化所）副研究員劉星辰合力開發(fā)了二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化一氧化碳的新型催化劑體系。該雙金屬氧化物負載的催化劑在逆水煤氣變換反應(yīng)中的性能比傳統(tǒng)催化劑高3.3倍，一氧化碳選擇性超過99%，表現(xiàn)優(yōu)異。
論文從26頁增加到63頁的背后是10個月的漫長審稿期，跨越了幾乎整個2023年。
“灌溉”氫氣，“種出”一氧化碳
二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化液體燃料或化學(xué)品是國內(nèi)外科學(xué)家都想摘下的“桂冠”。一邊是人類生產(chǎn)生活排放后被收集起來的二氧化碳，一邊是可再生能源制造的充裕氫氣，源源不絕的“原料”經(jīng)過復(fù)雜的“變幻”，究竟能產(chǎn)生怎樣的化學(xué)品？這是一個未完全解開的化學(xué)反應(yīng)方程式。
碳一分子——只有一個碳原子的分子，在大自然中儲量豐富。無論是二氧化碳還是一氧化碳、甲烷、甲醇，單分子結(jié)構(gòu)只有一個碳原子。它們轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的液體燃料、高端化學(xué)品的過程就像一場在反應(yīng)容器里的接力賽，其中二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳或者甲烷就是第一棒。碳一分子轉(zhuǎn)化十分困難，其中平衡轉(zhuǎn)化率、選擇性，保持催化劑活性都是控制化學(xué)反應(yīng)的難點。而將該轉(zhuǎn)化放到工業(yè)應(yīng)用中則存在能耗高、步驟多、產(chǎn)品分離工藝復(fù)雜等問題。因此，探索溫和條件下碳一分子定向轉(zhuǎn)化技術(shù)是急需且極具挑戰(zhàn)性的課題。
2020年，劉岳峰課題組就上述問題展開激烈討論。當(dāng)時參與討論的既有本課題組的同事、學(xué)生，也有山西煤化所和意大利梅西納大學(xué)的學(xué)者。
“當(dāng)時，對找到現(xiàn)象中蘊含的深層規(guī)律心里沒底，我們不是特別大的團隊，要想啃下這塊‘硬骨頭’離不開高水平協(xié)作。”劉岳峰回憶道。抱著這樣的想法，他找到了理論計算經(jīng)驗豐富的劉星辰。
在多方討論的基礎(chǔ)上，論文第一作者、大連化物所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生康輝開展了大量實驗研究，最終開發(fā)出了一種新型雙氧化物載體催化劑。該催化劑在強氧化物載體相互作用和傳統(tǒng)強金屬載體相互作用這兩種競爭策略下，發(fā)生了難以解釋的變化：其中一種氧化物定向朝著另一種氧化物表面分散，給氧化物表面打上了“補丁”，形成了一種可以高效傳輸氫物種的傳輸通道。這條關(guān)鍵的通道，可以大大促進加氫反應(yīng)。
“兩種過程的競爭策略是常見的催化劑反應(yīng)現(xiàn)象和規(guī)律，但從來沒有人想過同時利用它們，這為我們發(fā)展一種全新的催化劑設(shè)計策略、設(shè)計一種全新的催化劑，打開了思路。”劉岳峰說。
“通常在催化基礎(chǔ)研究中，研究者不希望催化劑的組成過于復(fù)雜，因為這會給了解催化過程帶來巨大困難。但這次，我們設(shè)計的三元催化劑，巧妙結(jié)合了動力學(xué)實驗和理論計算，清晰指出了催化劑中各組分的具體作用。剛整理完這項工作時，我的腦海里就出現(xiàn)了一幅能描述這個催化劑作用原理的‘山水圖’。”康輝說。
于是，劉岳峰和康輝找設(shè)計師畫了一幅中國風(fēng)的三江源“山水畫”，通過它來描述催化劑作用原理。釕基催化劑就是一座座高山，“氫溢流”就是山腰上蜿蜒而下的河流，暢通無阻的河道中流淌的是氫，河道旁的平原就是氧化鈦-氧化錳，在河流灌溉下長出樹木，氫氣成為養(yǎng)分，一氧化碳就是果實。
劉岳峰介紹，該催化劑的設(shè)計策略不僅限于這一個化學(xué)反應(yīng)，而且適用于金屬氧化物催化劑整個家族。此外，那些在研發(fā)、生產(chǎn)中已經(jīng)實現(xiàn)工藝定型的催化劑，利用該設(shè)計策略，只需“原位”小修一下制備工藝即可提升催化劑功效。
此外，該催化劑體系以氣氛誘導(dǎo)的方式進行，在現(xiàn)有的反應(yīng)器內(nèi)就可以調(diào)控，幾乎沒有成本，“省工省料”的同時經(jīng)濟性和反應(yīng)效率都有所提升，而且有望產(chǎn)生新的更有反應(yīng)活性的結(jié)構(gòu)。
審稿意見一正一負
劉岳峰帶著新的催化體系信心滿滿地投稿時，卻接連碰壁。
“我們向《自然-催化》投了稿，一審意見‘一正一負’。”劉岳峰告訴《中國科學(xué)報》，有一位審稿人的意見很積極，認為該體系設(shè)計思路新穎，有很好的發(fā)展前景，并列出了很長的修改建議；另一位審稿人雖然對工作的創(chuàng)新性給予了充分肯定，卻覺得文章“不符合要求”，有拒稿的意思。
面對這樣的反饋，劉岳峰心情沉重，因為如果稿件暫時不被接收，就要等很長時間，而康輝可能要延期畢業(yè)。他們認真研究審稿人意見后發(fā)現(xiàn)，“一正一負”的情況下還可以重新投遞。
這給了劉岳峰團隊一點信心，他們整理了審稿人的建議，發(fā)現(xiàn)需要補充理論計算，以此支撐結(jié)論。于是，準備支撐材料又花了5個月。
“我們補充了很多計算以及原位表征和動力學(xué)數(shù)據(jù)，然后又一次提交稿件。這次的反饋意見正面很多，理論計算領(lǐng)域的評審專家覺得工作完成度、創(chuàng)意性很不錯。”劉岳峰說，最終經(jīng)過了10個月的時間，論文從26頁增加到63頁。
拿到接收函的那一刻，劉岳峰如釋重負。
通過合作彌補短板
采訪中，劉岳峰和劉星辰不約而同地提到了科研協(xié)作的重要性。全世界科研水平的不斷提升，既依靠科研工具、技術(shù)的進步，也依靠高素質(zhì)科研人才的不斷涌現(xiàn)。這需要我們想方設(shè)法提高科研能力和水平，而提高協(xié)作效率是必由之路。
2021年4月，劉星辰與同是“80后”的劉岳峰相識于一個微信工作群，開啟了實驗與理論計算的合作。
當(dāng)年，在中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會山西煤化所小組舉辦的學(xué)術(shù)交流會上，山西煤化所、大連化物所、中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的年輕人同臺分享學(xué)術(shù)成果，兩人才有了第一次線下溝通的機會。身處碳一化學(xué)同一領(lǐng)域，兩人一見如故，敲定了后續(xù)合作的關(guān)鍵節(jié)點和步驟。
實驗與計算兩個工作階段一前一后、一主一副，在催化化學(xué)里必不可少。“我們不是大課題組，沒有足夠的力量投入到每一個崗位上，但是依靠高效、默契的協(xié)作能夠彌補這一短板。我們一直在向老一輩科學(xué)家間共同協(xié)作的典范看齊。”劉岳峰說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-023-01040-0
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