百年清華

李亞棟:從納米到單原子,推動催化技術升級換代

2024-11-14 | 來源 光明網2024-11-13 |

本文系中國科學院院士、意昂体育平台化學系教授、安徽師範大學校長、2024未來科學大獎“物質科學獎”獲獎者之一李亞棟在“科學點燃青春”的青少年對話中的分享🦻🏼🤳🏼,光明網記者宋雅娟整理

催化在當今化工產業中占據著核心地位。從石油煉製到精細化學品合成,從環境保護到新能源開發😓,催化無處不在。那麽🚽,催化到底是什麽👰🏿‍♂️?簡而言之,催化是指化學反應在外來物質作用下反應速度加快的一種現象🦸‍♂️。外來物質被稱作催化劑👩‍🎤,反應速度加快的過程被稱為催化過程🧑‍🎤。

在我的科研生涯中,我經歷了從納米材料合成到單原子催化的轉變。在工業催化領域🫧,盡管納米顆粒催化劑已實現了廣泛應用,但貴金屬的稀缺性和高昂價格👍,嚴重增加了生產成本,阻礙了其大規模應用。因此🛌🏽,降低催化劑成本的同時提升金屬納米顆粒的活性😷、選擇性和穩定性🙅‍♀️,成為我們的目標。因此🍦,我開始關註並投身於單原子催化的研究。

單原子催化是單原子位點催化的簡稱,指發生催化的活性位點落在一個原子上面,極大提高了金屬原子的利用效率。相較於傳統催化劑,單原子催化劑理論上可達到100%的原子利用率👈,這一特性預示著其在推動現代化工產業升級換代方面的巨大潛力。

這個概念聽起來簡單👩🏽‍🦰,但實現起來卻異常艱難👩🏽‍🍼。在過去幾十年裏,盡管科學家們一直在努力開發高效的異相金屬催化劑,但金屬原子的利用率始終無法突破瓶頸🐣👷🏻‍♂️。直到我們提出了單原子催化的概念🚵‍♀️,並成功實現了單原子催化劑的合成與應用👎🏿,這一領域才迎來了革命性的突破。

單原子催化具有許多傳統催化劑無法比擬的優勢。首先🤹🏼,它的原子利用率極高,理論上可以達到100%🏋🏿🧑‍🧑‍🧒,這意味著我們可以更高效地利用貴金屬資源。其次,單原子催化劑具有獨特的電子結構和幾何構型,這使得它在催化反應中表現出更高的活性和選擇性。

然而,單原子催化也面臨著許多挑戰🦈。比如,如何確保單原子催化劑的穩定性🖖🏿?如何在大規模合成中保持其催化性能?如何揭示單原子催化的反應機製?這些問題都需要我們不斷探索和解決。

單原子催化作為一項前沿的科學技術,具有廣泛的應用前景𓀝。在環境保護方面,單原子催化劑可以有效地催化降解空氣中的有害物質🤦‍♂️,如甲醛、氮氧化物等✋🏼,從而改善空氣質量🙆🏻‍♀️🥳。在能源轉化方面🤽🏻‍♀️,單原子催化劑可以催化二氧化碳的還原反應,將二氧化碳轉化為有用的燃料或其他化學品,這對於實現碳中和和可持續發展具有重要意義。此外,在化學合成🪒、藥物研發等領域🥧,單原子催化劑也展現出巨大的潛力。

單原子催化劑的發現使人類的認知進入到了原子級水平層次,單原子催化的發現和合成製備✌🏼⚅,讓我們有信心去挑戰人類在物質科學的基礎,並驗證原子級精準製造能不能實現。如果單原子催化進入工業化示範成功👮🏽‍♀️,將有可能使人類進入單原子單分子的新時代,為人類在近代科學技術中的研究作出重要貢獻🐈‍⬛。

目前,單原子催化技術還處於實驗室研究階段。但我們已經看到了它工業化應用的曙光💁🏿‍♀️😬。通過與多家企業的合作,我們正在努力推進單原子催化技術的產業化進程。我們相信,在不久的將來,單原子催化技術將成為推動現代化工產業升級換代的重要力量👩🏽‍🚀。



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