通過使用煤、石油焦等原材料制備合成氣（一氧化碳與氫氣的混合氣體），并使用合成氣制備含不同碳原子個數的烴類產品，已成為現代工業中一個重要的化工門類。含不同碳原子個數的物質各有用途，而其中碳數2-4的“低碳烯烴”應用十分廣泛。

與“高碳烯烴”相比，低碳烯烴可以作為高價值的化工原料輸送至后續的生產當中，用于制造各類化學品、藥物、塑料等材料，從而服務于人類需求。目前主流的合成氣制備烴類產品的方法是費托合成法（Fischer–Tropsch process），這一發明于1925年的方法可以在催化劑和適當條件下將CO與H2轉化為烴類物質，但受制于其C2-C4的碳氫化合物的比例不可能超過56.7%的理論限制，其余接近一半的產物是只有燃燒價值的甲烷CH4，以及其他高碳烯烴。而在實踐中，費托合成的實際C2-C4產率還會更低。

2020年國家自然科學一等獎所表彰的成果，包信和院士團隊提出的“納米限域催化”指引下的合成新策略，實現了高活性和高選擇性的“”雙贏”。

什么是“納米限域催化”？通俗的理解就是在極度狹小的空間之中做極為復雜的事情。而對于化學家而言，2~3 cm大的空間已經太過巨大，納米尺度往往才是他們精雕細琢的道場。盡管我們常常聽到納米這個概念，例如其定義： 1納米為10-9米，但仍難以對納米有直觀的認識。參考簡單的類比：如果我們把“1米”放大到5200公里，那么“1納米”就會被等比例放大到5200公里的10-9倍——也就是5.2毫米，大概是成年人小拇指寬度的一半。

“限域”是納米尺度下的篩選

在納米尺度下控制化學反應往往能取得神奇的效果。因為構成我們世界的原子、分子的尺寸恰恰是納米尺度的：比如一個水分子大小約為0.4個納米，乙烯分子中的碳原子和同側氫原子之間的距離只有0.25納米；而隨著碳原子個數的增加，分子尺寸就會增加到十幾個或者幾十個納米。這就給了我們提升“低碳烯烴”產率的機會：如果制造一些納米尺寸的孔道（碳納米管）作為合成氣轉化為烯烴的反應場所，如果這些孔道尺寸很小（幾個納米），以至于只能允許碳數很少的烯烴在孔道中存在和通過，不允許高碳烯烴在孔道中生成，就可以突破費托合成的理論上限。這種通過孔道納米尺寸的調控來篩選生成產物的方法，被稱為納米“孔道限域”。

納米管中的高效催化體系

當科學家將催化劑放置于這些納米尺寸的孔道后，催化劑本身的活性會得到增強：就如同人們在特定的壓力之下會爆發出更大的潛能，在極度狹小的空間之下，催化劑周圍的環境會改變其電子組態與軌道特性，從而強化了其催化效率與選擇性。

包信和院士團隊成功地針對合成氣的高效精準合成，在碳納米管中構建了一系列復的催化體系。在納米尺度下精確地合成催化體系、評價催化性能、發現背后的科學真相則更為困難。但在優秀的化學家面前，辦法總比困難多，20多年的冷板凳的努力使得“納米限域催化”概念被成功的提出，并得以工業化示范應用，成功地實現了低碳烯烴的高選擇性合成，這對于缺油多煤的我國來說，無異于增加了一條更加高效的從煤獲得化工原料的途徑，打開了一扇認識催化過程、精準調控化學反應的大門。未來該項技術將持續發揮其作用并創造更大價值。

（文：重慶大學化學化工學院教授 李存璞 把關專家：重慶大學化學化工學院副教授 黃尋）

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