來源：《中國科學報》第4版 自然科學基金
發布時間：2025-06-30
■本報記者 孫丹寧
從點亮第一盞電燈到驅動高鐵飛馳，碳基能源這個聽起來陌生的詞語，早已如同現代社會的“血液”，深深融入人們日常生活的方方面面。碳基能源以煤、石油、天然氣等化石燃料為能量載體，通過燃燒和催化轉化等方式釋放能量，為現代社會提供持續不斷的動力支持。
然而，在我國能源結構中仍占據主導地位的化石燃料，其燃燒產生能量的過程中不僅釋放一些對環境有害的物質，造成環境污染，同時還排放大量被認為是溫室氣體的二氧化碳，導致我國面臨能源供給緊張與高排放高污染的“雙重壓力”。
如何實現碳基能源高效轉化和清潔利用，保證國家能源安全，已成為我國在能源領域亟須應對的一個重大戰略挑戰。
面對上述問題，國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）提前布局，于2016年適時啟動了國家自然科學基金重大研究計劃“碳基能源轉化利用的催化科學”（以下簡稱重大研究計劃）。重大研究計劃由中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員包信和領銜，聚焦于碳基能源小分子高效催化轉化這一核心科學問題，經過8年多的持續攻關，在催化表界面基礎科學問題的認知、先進催化表征技術和方法的發展、催化反應新過程的創新和產業化開發等各個層面都取得了重大突破，初步形成了“納米限域催化”等具有原創性的學術思想，提出包括OXZEO雙功能催化劑和接力催化在內的多個創新催化劑和催化反應過程，顯著提升了我國在催化領域的競爭力。
近期，重大研究計劃順利完成結題評估。“我們通過化學、化工、數理、材料等多學科交叉融合，已在與催化相關的基礎理論和實驗研究上取得一些有意義的創新成果，充分發揮和放大了我國在催化和表界面研究領域的優勢，在催化表界面基礎研究，以及新型催化劑和催化過程的研發等方面形成了特色，在國際上產生了較大影響。”包信和說。
來自遠古時代的能源
人類社會的發展史，就是一部碳基能源的利用史和能源技術的發展史。
早在遠古時代，人類用薪柴點亮了第一代碳基能源應用的文明火種。工業革命時代蒸汽機的轟鳴，開啟了煤炭驅動的新紀元，鐵軌縱橫交錯，鋼水奔流不息。石油和天然氣的發現，特別是內燃機的發明，同時帶動了汽車、航空、航海和系列重工業的迅猛發展，逐步形成了以化石能源為主的現代能源體系。
統計數據顯示，2022年全球一次能源消費中，化石燃料的占比達到了82%，其中煤炭27%、石油31%、天然氣24%。然而，化石能源驅動的工業進程也帶來了嚴重的環境問題——由其支撐的工業活動貢獻了全球溫室氣體排放的80%以上。
我國資源稟賦呈現“貧油、少氣、相對富煤”的特點，而隨著經濟的迅速發展，能源供給總體不足、液體燃料短缺等問題日益凸顯，同時二氧化碳排放、環境污染等壓力也日漸增大。包信和介紹：“在這種情況下，如何保障國家能源安全，實現國民經濟高效綠色發展，就成為一項重大的國家需求。”
2010年的一次研討會后，時任自然科學基金委化學科學部副主任陳擁軍找到包信和，談論起與能源相關的表界面研究。“表界面是由一個相過渡到另一個相的交界區域，是相鄰兩相物質接觸的分界面，相較于任何一個純相，其結構、電子特性，以及物理化學性能都有很新穎的特性。其應用領域不僅包括催化，還包括電化學、生物、材料、器件等，是化解能源危機的‘法寶’。”包信和告訴《中國科學報》，“所以我們希望從表界面研究入手，以催化科學為主攻方向，啟動一個新的重大研究計劃，為解決能源問題貢獻催化的力量。”
為此，包信和等專家多次在全國不同城市召集組織不同方向的催化學者，開展學術研討、進行方案論證。然而，在第一年申報時卻出現了意外，當團隊準備好材料提交申請并向自然科學基金委聘請的多學科專家進行答辯時，評審專家卻指出研究范圍過于寬泛，核心目標不夠聚焦。
“這促使我們重新梳理思路，考慮‘收縮戰線’。”中國科學院大連化學物理研究所研究員、重大研究計劃項目秘書傅強回顧說，“我們反復凝練科學目標，鎖定核心科學問題，最終將研究主題重新錨定在最初的起點——碳基能源的表界面研究，將力量聚集到破解碳基能源高效催化轉化的奧秘上。”
傅強進一步說：“我們聚焦的碳基核心是碳一化學，具體瞄準一氧化碳、二氧化碳、甲烷這三個關鍵分子。研究方向因此變得清晰、具體。”
重大研究計劃項目組設想通過多學科交叉融合，充分發揮并擴大我國在微納研究和表界面研究領域的優勢，力爭在催化表界面基礎研究方面形成中國特色，并進一步推動碳基能源的產業革命。
2016年1月，重大研究計劃通過充分的專家論證，正式獲批啟動。
“擰成一股繩”的團隊
研究目標一經確定，由包信和、薛其坤、李永旺、謝在庫、吳凱、孫世剛、胡培君、徐昕等多位領域內學者組成的專家組，立即行動，頂層設計研究計劃、組織研究隊伍，布局研究任務和方向。比如，主要成分為一氧化碳和氫氣的合成氣的高效轉化、二氧化碳資源化優化利用、甲烷定向活化等脫穎而出，成為專家組的“寵兒”。
“我們給重大研究計劃設立了3個階段：聚焦合成氣直接轉化，核心是突破傳統費托合成工藝的局限，實現大幅節水與降碳；跨越中間步驟，實現甲烷的直接轉化；攻克二氧化碳高效轉化的難關——通過變革性的高溫電化學技術實現‘變廢為寶’。”包信和介紹，“現在說二氧化碳轉化，大家都會認為很重要，但10年前將這個方向作為重點研究還是比較超前的、是要有點膽魄的。”
歷經8年時間，來自全國50多所大學和科研機構的學者參與，總共115個項目獲得資助，最終取得了一系列重要的研究成果。
重大研究計劃圍繞合成氣直接制備低碳烯烴、芳烴與含氧化合物等重要過程，創制了高活性、高選擇性雙功能催化劑，其一氧化碳單程轉化率達85%，低碳烯烴選擇性達83%，低碳烯烴收率達48%，性能達到國際領先水平。在此基礎上，他們還建成了合成氣轉化制高值化學品OXZEO和接力催化技術平臺，為保持我國在合成氣化學領域的國際領先地位作出貢獻。國內外先后有40多個團隊開展OXZEO和接力催化的相關研究，形成了一支穩定且在國內外具有重要影響力的合成氣化學研究隊伍。
在甲烷等低碳烷烴的活化和轉化方面，項目團隊創新性提出用“分子圍欄”策略設計金屬/分子篩催化劑，在低溫下實現了17.3%的甲烷轉化率和92%的甲醇選擇性，并提出一種“反應誘導活性位原位生成”的新策略，形成了具有自主知識產權的全新烷烴直接脫氫技術。在甲烷氧化偶聯、甲烷選擇性氧化制含氧化合物、丙烷脫氫制丙烯等重要反應中，項目團隊實現國際領先的催化反應性能，為在低碳烷烴催化轉化領域形成有影響力的“中國學派”奠定了重要基礎。
重大研究計劃不僅在國內，在國際上也引領了二氧化碳的電化學高效轉化，率先探索了高溫和低溫兩條二氧化碳轉化途徑，并結合電化學原位譜學等手段，探究了溶液電解質中堿金屬陽離子促進二氧化碳還原作用機制。重大研究計劃還提出“表面化學場耦合電催化”的科學想法，并設計出兼具離子傳導和協同二氧化碳活化的雙功能離聚物，開發了首例工業級電流密度二氧化碳-純水膜電解器制備一氧化碳或乙烯技術，為二氧化碳資源化利用提供了科學支撐。
“我們能在多個方向布局發展，離不開專家組的頂層設計，更是‘集中力量辦大事’的體現，只有凝心聚力、協力攻堅，方能實現關鍵突破，取得更多研究成果。”包信和感慨道。
“無用之用”的研究
除了上述3個方向的研究，重大研究計劃還前瞻性地將催化新概念探索列為重點突破領域，并取得了系列原創成果。
“我們先是提出了‘限域催化’概念，并不斷深化，將研究拓展至二維、界面、活性中心微環境等相互作用系統，從實驗和理論上闡明‘限域’效應的內在機制。‘限域’效應不僅能維持催化體系在反應中的高活性狀態，而且還是其實現循環再生的關鍵所在。基于此，我們發展了更具普適性的‘納米限域催化’新概念。”傅強介紹。
這一成果獲得2020年度國家自然科學獎一等獎，其科學價值也獲得國內外同行的廣泛認可，目前全球已有20多個研究團隊對其跟進研究。
與此同時，新概念也為工業應用指明了方向。包信和團隊聯合應用研究團隊與企業，成功建成并運行了全球首套千噸級規模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置，驗證了該技術的可行性與先進性。
包信和指出：“我國獨特的資源稟賦和堅定不移的可持續發展道路，決定了我們必須牢牢掌握催化科學自主創新的主動權。唯有如此，才能為國家在能源利用、資源優化和環境保護等關鍵領域的重大需求，持續提供堅實的基礎理論支撐與核心關鍵技術保障。因此，在重大研究計劃中，我們把原創概念提出和戰略方向引領性研究置于重要位置。”
基于這一理念，重大研究計劃成功發展了“OXZEO”催化體系、“接力催化”等新概念。這些成果共同為碳基能源催化科學領域注入了強勁動力，讓基礎研究更加注重本質，帶動了學科新方向的飛速發展。
對于基礎研究的深遠價值，傅強深有感觸：“常言道‘無用之用，方為大用’，有些基礎研究成果可能并不能立竿見影投入實際應用，但是從長遠來看會影響整個領域的發展軌跡。重大研究計劃就給我們提供了一個寶貴機遇，讓我們能夠安心做基礎研究，探索更深層次的規律。”
在重大研究計劃的支持下，項目團隊培養了一批有創新能力的研究隊伍和優秀人才，傅強就是其中之一。
回首8年前初入項目團隊時的青澀，傅強記憶猶新。他坦言：“那是我第一次參與重大研究計劃。記得初次在學術會議上向滿座的前輩匯報工作，緊張得手心都有些冒汗。”正是在這個頂尖平臺上，他得到了寶貴的歷練機會。“我們每次項目匯報都可以自主報名。當時，專家們不斷鼓勵我們這些年輕人要勇敢展示自己的研究，大膽交流，虛心聽取各方建議。”傅強回憶道。
在一次次匯報、討論與思想碰撞中，傅強迅速成長。他從當初略顯拘謹的青年學者，逐步歷練為能夠獨當一面的研究組組長，并成功獲得自然科學基金委的青年科學基金項目支持。談及這段經歷，他深有感觸：“重大研究計劃將志同道合的科研力量匯聚起來。我們在這里凝練方向，匯聚合力，最終辦成了許多單打獨斗難以完成的大事。這段并肩攻堅的歷程，是我科研生涯中極其珍貴的歷練。”
在重大研究計劃的影響下，項目團隊進一步推動設立了“十四五”國家重點研發計劃“催化科學”重點專項，形成“原創催化理論，開辟催化科學新方向，發展自主研究方法，催生關鍵核心技術”的總體目標，在過去5年已經取得了豐碩的研究成果。
“催化科學”重點專項仍然由包信和作為專家組組長，專家的班底也是以自然科學基金委的重大研究計劃為主。“未來，隨著人工智能（AI）技術的發展，特別是隨著AI模型的可靠性、數據的質量和多樣性、不同技術的有效整合等問題的解決，催化科學將會更加自動化和智能化，有望推動碳基能源轉化的催化科學研究邁上新高度。我們國家在這一全球必爭的領域中不能落伍，要力爭繼續引領。”包信和說。
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