漫畫 | 中國科學(xué)家提出物理化學(xué)新概念：納米限域催化

?這是Sheldon的第142篇漫畫，所有圖片大約 4 MB。

說起“化學(xué)”兩個字，

你的腦?？赡軙?/p>

冒出各種有害的東西。

化學(xué)的東西嘛，

應(yīng)該離我們越遠(yuǎn)越好。

但是，假如化學(xué)真的

從生活中消失了，

我們可能就只能

光著屁股過日子了。

這是因為，我們現(xiàn)在穿的衣服，

吃的食物，用的各種東西，

很多都是由化學(xué)工業(yè)提供的。

既然化學(xué)對我們這么重要。

今天咱們就來說一說，

中國科學(xué)家在化學(xué)領(lǐng)域的一個重要發(fā)現(xiàn)：

千萬別被這個大詞嚇到了，

想要理解它一點(diǎn)兒也不難。

廢話不多說，我們先從“催化”開始嘮。

（一）催化：加速化學(xué)反應(yīng)的中間商

還記得中學(xué)老師是怎么講的嗎？

在通常的條件下，

某些化學(xué)反應(yīng)的速度會很慢。

有多慢呢？從秦始皇的時候開始反應(yīng)，

等到嫦娥五號都從月球挖土回來了，

反應(yīng)連一半兒都沒有完成呢。

有一天，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，

如果往化學(xué)反應(yīng)中加點(diǎn)兒料，

這些反應(yīng)就會突然加快，

原本需要上千年的反應(yīng)，

現(xiàn)在可能只需要一首歌的時間就能完成。

這些被加入的料，雖然會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是反應(yīng)完成之后，它們又都會恢復(fù)原狀，完好如初。

它們的作用相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)的中間商，到處勾搭客戶，并迅速介紹給廠商。

在這個過程中，它們大大提高了客戶和廠商成交的效率，這就是咱們常說的賺差價催化。

這些被加入的料就叫催化劑。

你知道嗎？在化學(xué)工業(yè)中，

85%的反應(yīng)都依賴于催化。

我們衡量一種化學(xué)反應(yīng)

到底能不能開工廠掙錢，

催化起到了很關(guān)鍵的作用。

讓我們先用一首順口溜來解釋一下

催化的重要性！

催化催得好，數(shù)錢數(shù)到老；

催化催得爛，工廠全完蛋；

催化催得快，都是大買賣；

催化催得慢，頓頓喝稀飯。

所以，提高催化效率，

提升催化的精準(zhǔn)度，

就成了化學(xué)家不斷追求的目標(biāo)。

可是，理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。

在實踐過程中，

催化還有很多不盡人意的地方。

（二）費(fèi)托合成：不是永遠(yuǎn)的“神”

讓我舉一個最實際的例子。

你有沒有覺得，最近油價又漲起來了。

這件事很好理解。許多領(lǐng)域都要用到燃油，而我國是個貧油國，石油嚴(yán)重依賴進(jìn)口。一邊是需求旺盛，一邊是依賴進(jìn)口，所以油價總是要漲。

你也許會說，我們國家雖然缺少石油，但是我們有煤炭啊。如果有人能夠利用催化反應(yīng)，將我國盛產(chǎn)的煤轉(zhuǎn)化成燃油、低碳烯烴等高值化學(xué)品和燃料，那該多好??！

你還別說，化學(xué)家早在100年前，

就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種催化反應(yīng)。

簡單地說，他們會先把煤炭

轉(zhuǎn)化成一種混合氣體，

然后再利用催化劑，

將這種混合氣體轉(zhuǎn)化成燃油。

這種反應(yīng)是由

德國化學(xué)家費(fèi)歇爾和托羅普施發(fā)明的，

所以叫費(fèi)托反應(yīng)。

這聽起來是不是棒棒噠？

經(jīng)過了100年的實踐，

它的確已經(jīng)發(fā)展成為

煤制油和氣制油的關(guān)鍵核心技術(shù),

國際上也普遍用這種方法

制取低碳烯烴（包括乙烯、丙烯和丁烯）。

低碳烯烴是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，

由低碳烯烴可以生產(chǎn)

塑料、橡膠、樹脂、顏料等等。

但是遺憾總是難免的，

采用傳統(tǒng)費(fèi)托合成制備低碳烯烴時

存在兩個明顯的缺陷：

第一，這個過程需要大量的水。

第二，這個過程得到的產(chǎn)物眾多。

就比如我們只想要字母A，

但是給了我們字母軍團(tuán)。

要知道，在許多產(chǎn)煤大省，

水資源也是很金貴的。

耗水量大，就意味著成本高。

同時，你吭哧吭哧合成了半天，

得到的產(chǎn)物中一大半是不想要的雜質(zhì)，

這就意味著效率很低。

這一高一低，用煤做低碳烯烴的生意，

就顯得不那么劃算了。

那么，100年過去了，

化學(xué)家有沒有發(fā)現(xiàn)更給力的催化方法呢？

（三）納米限域催化：

指導(dǎo)更給力的催化方法

有！

在納米限域的指導(dǎo)下，

發(fā)展更給力的催化方法。

首先，給你科普下什么是納米。

納米等于1米的十億分之一。

我們常說的納米尺度，

相當(dāng)于百十來個原子的大小，

介于微觀和宏觀之間。

許多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種東西到了納米尺度，就會展現(xiàn)出各種新奇的特性。

比如說黃金。平時是金黃金黃的，看起來很貴重。但你如果把金磨成納米顆粒，它就會呈現(xiàn)出花花綠綠的顏色。

催化的情況也一樣的。

大連化物所包信和團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，許多催化劑表面上看起來很普通，但如果把它們往納米尺度一放，它們就立馬變得不一樣了。

該團(tuán)隊歷時多年研究提出了

納米限域催化概念

依此創(chuàng)制的催化劑和催化過程，

就能克服前面?zhèn)鹘y(tǒng)費(fèi)托合成中的兩個缺陷。

應(yīng)用納米限域催化概念，

不僅可以讓煤制燃油、煤制烯烴的過程

基本少耗水，

還能夠大大減少副產(chǎn)物含量，

大幅提高產(chǎn)品的產(chǎn)量。

而且，每次應(yīng)該多產(chǎn)低碳烯烴

還是汽油、芳烴啥的

都可以自己控制。

那么，

這種“神操作”到底是怎么做到的呢？

（四）納米限域催化：

納米界面與納米孔道限域的聯(lián)手

我們還以費(fèi)托反應(yīng)為例，來說道說道，傳統(tǒng)金屬催化劑會讓一氧化碳中的氧跟氫氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量不需要的水。

O* + H2 → H2O

這個過程很好理解。氧是一種非常花心的元素，見一個愛一個，見兩個愛一雙。你不讓它跟氫氣反應(yīng)，那就是滅絕它的人性。

但奇怪的是，在納米尺度上，

有的催化劑就真的會滅絕氧的“氧”性。

具體來說，在一種由鋅鉻氧化物

組成的催化劑（ZnCrOx）

納米尺度界面的操辦下，

氧仿佛變了個人似的，

對氫氣不感興趣。

于是，氧乖乖地把氫氣留給了碳，

讓它們有機(jī)會結(jié)合在一起，

變成烯烴分子的前身（CH2）。

這樣一來，整個反應(yīng)

既不產(chǎn)生水，也不消耗水。

由于這個催化反應(yīng)是在

催化劑納米尺度的表面進(jìn)行的，

所以，它叫作納米界面效應(yīng)。

說到這兒，事情還沒有完。在傳統(tǒng)費(fèi)托反應(yīng)中，烴分子的前身（CH2-）會隨機(jī)跟它周圍的各種分子組合，因此產(chǎn)物眾多。

這個過程完全是隨機(jī)發(fā)生的，我們難以控制。這就是為什么傳統(tǒng)費(fèi)托反應(yīng)在把煤變油或煤變低碳烯烴的過程中，會產(chǎn)生大量雜質(zhì)。

但是，如果往這個反應(yīng)中加入一種叫做分子篩的物質(zhì)，天然的分子篩叫“沸石”，情況就完全不同了。

“沸石”有點(diǎn)兒像蜂窩。它的原子相互連接時，會形成許多納米尺度的孔道。

當(dāng)烴分子的前身（CH2-）進(jìn)入這些孔道之后，它們就不再隨機(jī)組合了，而是會有序地組裝在一起，根據(jù)孔道大小和酸性質(zhì)的不同，形成低碳烯烴分子（C2-C4烯烴分子），或者汽油等其他我們想要的有機(jī)分子。

這樣一來，我們副產(chǎn)物的含量

就會大幅減少，

煤制低碳烯烴的產(chǎn)量也就

有望可以大幅提高了。

當(dāng)然，這個過程必須在

分子篩孔道中發(fā)生。

如果離開納米孔道，

反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物還是會大幅增加。

于是，這叫作納米孔道限域效應(yīng)。

把納米孔道限域效應(yīng)和納米界面效應(yīng)

匯總在一起，就是大連化學(xué)物理所

包信和團(tuán)隊創(chuàng)造性地提出的新概念，

也就是咱們介紹的納米限域催化。

（五）納米限域催化的意義重大

敲黑板總結(jié)一下，納米限域催化，就是催化反應(yīng)在納米尺度展現(xiàn)的、獨(dú)特的特性。它不用改變催化劑成分，而僅僅改變化學(xué)反應(yīng)的限域環(huán)境，就能大幅提高化學(xué)反應(yīng)的活性，提升化學(xué)反應(yīng)的選擇性。

通常，一種催化劑有什么特性，

是天生的，是難以改變的。

有了它，化學(xué)家期待自己

能夠?qū)Υ呋w系進(jìn)行

“量體裁衣”個性化設(shè)計。

如果催化體系都能個性化設(shè)計了，

在化學(xué)工程領(lǐng)域，

就會有數(shù)不清的機(jī)會在等著我們哦。

End

作者：Sheldon

繪制：賞鑒、濛琪

美指：牛貓

排版：偉俊

注：

1.由煤氣化得到的混合氣的主要成分是一氧化碳（CO）和氫氣（H2）。

2.漫畫中提到的燃油分子指的是由碳和氫組成的碳?xì)浠衔锓肿?，如汽油通常?到12個碳原子的碳?xì)浠衔铮坏吞枷N是指含2到4個碳原子的烯烴，包括乙烯、丙烯和丁烯；低碳烷烴是指含2到4個碳原子的飽和烷烴，包括乙烷、丙烷和丁烷；

3.汽油中含有的烷烴通常是C5-C12烷烴。這種烷烴的分子比漫畫中提到的烷烴分子更長。但這種差別并不影響漫畫的結(jié)論。因為根據(jù)納米孔道效應(yīng)，只要調(diào)整納米孔道的大小和性質(zhì)，就能夠得到想要的反應(yīng)產(chǎn)物。

4.傳統(tǒng)費(fèi)托反應(yīng)為什么會需要水，看看其中發(fā)生的三個反應(yīng)你就明白了：

H2O + CO → H2 + CO2

煤氣化得到的合成氣中H2/CO比例通常小于1，需要水煤氣變換反應(yīng)（即一氧化碳與水反應(yīng)）提供更多的氫氣:

H2 + CO → CH2- + O

O + H2 → H2O

5.基于納米限域催化的雙功能催化合成氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)為什么可以少耗水呢？請看其中的反應(yīng)：

H2 + CO → CH2- + O*

O*+ CO → CO2

注意，這里的氧（O*）不是單純的氧（O）原子，而是附著在催化劑納米尺度的表面的氧（O*）原子。由于催化劑的納米界面效應(yīng)改變了它的化學(xué)性質(zhì)，此時的氧（O*）原子會選擇性地跟一氧化碳反應(yīng)，而不跟氫氣反應(yīng)。所以，這個反應(yīng)既不會產(chǎn)生水，同時也不需要消耗水。

參考文獻(xiàn)

1. 包信和. 納米限域體系的催化特性[J]. 中國科學(xué): B 輯, 2009 (10): 1125-1133.

2. Jiao F, Li J, Pan X, et al. Selective conversion of syngas to light olefins[J]. Science, 2016, 351(6277): 1065-1068.

3. http://www.xinhuanet.com/politics/2016-03/04/c_1118235820.htm

作者：Sheldon

繪制：賞鑒、濛琪

美指：牛貓

排版：偉俊

來源：Sheldon