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【科学讲座】张涛:神奇的催化——上九天揽月,下五洋捉鳖

图片/文字:徐千贺

       2020年10月27日晚七点,中国科学院大学材料科学与光电技术学院有幸邀请到了中国科学院院士、发展中国家科学院院士和加拿大工程院国际院士、中国科学院副院长张涛院士来到玉泉路校区礼堂,为本科生带来了主题为“神奇的催化——上九天揽月,下五洋捉鳖”的精彩讲座,国科大副校长杨国强、国科大校长特别助理胡中波、本科部部长燕敦验、材料科学与光电技术学院副院长陈广超、化学科学学院副院长周克斌、材料科学与光电技术学院张艳萍、本科部杜爱宇等老师与本科生们一同聆听了本讲座。

张涛院士发言

       张院士首先点明了中国科学院的办院方针:三个面向,四个率先,即“面向世界科技前沿,面向国家重大需求,面向国民经济主战场,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国家一流科研机构”,并希望同学们在未来的科研中也能围绕这一方针开展工作。随后,张院士向同学们抛出了一个问题:学习化学化工能做什么?而催化又能做什么?在启发同学们思考的同时,讲座的主题由此展开。

“上九天揽月”

       催化的一个重要应用领域是航空航天。张涛院士指出,姿态控制技术是航空航天技术的核心内容之一。在此方面,我国主要采用肼催化分解技术。为了加深同学们对这一方面的理解,张涛院士随后介绍了肼催化分解姿态控制工作原理和航天飞行器姿态控制的关键步骤。卫星姿态控制催化剂近年来不仅在航天飞行器上取得了广泛应用,其技术同样在航空领域有重要应用。为了提高战斗机的灵活性,我国歼十飞机采用了单发动机的设计,而单发动机有可靠性低的缺陷。为了克服这一劣势,研究人员参考航空催化剂的技术原理进行了应急动力设计并为此开发出了新型燃料和材料,为了使新型材料适应航空催化剂的要求,中科院大连化物所主动请缨,由时任化物所研究员的张涛先生进行课题攻关。经过张涛先生及其团队的刻苦钻研,航空催化剂技术最终取得成功。

“下五洋捉鳖”

       催化在国民经济方面同样有着重要应用。就种类繁多的燃料电池而言,催化剂对提高它们的性能起了重要作用。此外,为了响应 “面向国民经济主战场”的号召,中科院的煤制油新技术、煤制烯烃新技术等均已走到了世界前列,而催化技术则是这些领先世界的新技术的关键一环。张涛院士认为中科院作为国家战略队伍,必须要解决国家心腹之患。当前我国能源安全问题严重,石油产量仅为占用量的三分之一。为了解决这一问题,中科院山西煤化所在煤制油新技术方面进行科研攻关,取得了重大突破。同样,中科院甲醇制烯烃技术现已在全国转化应用20余套煤基甲醇制烯烃项目,形成每年千亿规模的战略新兴产业,实现了“没有石油的石油化工”。以上种种,离不开催化技术在其中的应用。

面向世界前沿

       接下来,张涛院士讲述了他在单原子催化方面的科研经历。催化剂的催化性能与其比表面积有着密不可分的关系。因此,要实现高效的催化,就要控制催化剂的尺度从而获得更高效的催化性能。那么,究竟是什么样的尺度才可以充分发挥催化剂的催化效能呢?这就需要研究不同大小催化剂的催化活性。然而,常规制备方法得到的是混合体系,能否设计出一个均一的体系去考察反应活性呢?在张涛院士课题组的共同努力下,他们最终实现了利用Pt1/FeOx制成单原子催化剂。通过电子显微镜照片,他们发现在微观尺度上全部都是单原子附着在样品表面,而通过EXAFS技术在更大尺度上的观察结果,他们又通过宏观证据表明整个样品里面均为单原子,红外技术同样证明了这一事实。由此,他们提出了目前已取得国际上普遍认可的单原子催化概念。这一概念的提出标志着催化和材料研究已从微米、纳米深入到了原子水平。

发现背后的故事

       在讲座的最后,张涛院士分享了他将实验室中的偶然发现转变为新的科研方向的故事。在研究设计均一体系考察催化反应时,张涛院士的课题组同时还有用非金属代替贵金属的设想。此前,曾有报道用贵金属催化分解纤维素得到六元醇的案例。本着试一试的心态,张涛院士的团队用非贵金属替换了贵金属,然而反应却未能如期获得六元醇,产物更多的是乙二醇,而乙二醇是一种比六元醇更有价值的化工材料。这还是世界上第一次发现用非贵金属可以将纤维素变为乙二醇。由此,张涛院士的团队将生物质转化变为了课题组继航天航空后的第二个重要方向。

学生提问

       在提问环节,来自2005班的朱天宇同学提出了自己对张涛院士科研经历的疑问:“在发现单原子催化时,您是否意识到了它的重要意义?”张涛院士首先承认了在获知国际上有报道单原子并非活性中心时的失望之情,但在经过一定的分析和思考后,他的团队选择了坚持自己的道路,并最终确认了这一发现的重要性。张涛院士借此提示同学们,科学发现不是随随便便就能得到的,而是要经过认真充分的准备和思考,要有设计、有计划,才能达到自己的目的。

现场学生提问

       最终,讲座在热烈的掌声中结束,相信张涛院士生动精彩的讲座会给听讲同学带来众多有益的启迪。


 
讲座现场