化学工业离不开催化剂，但长久以来，人们开发催化剂的过程更像“炒菜”，咸了加水，淡了放盐，在不断“试错”中寻找最佳“配方”。设计催化剂，实现催化反应的精准调控，一直是科学家追求的目标。在近日召开的国家科学技术奖励大会上，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）包信和院士团队20余年攻关获得的“纳米限域催化”成果荣获了2020年度国家自然科学奖一等奖。
该成果为认识催化作用机理和实现精准调控化学反应奠定了重要基础。“限域效应实际上是保持催化体系在反应过程中处于活性状态，并维持催化体系循环往复不断地发生。”包信和说。1995年刚回国的包信和来到大连化物所，毅然将自己的研究方向锁定在能源转化中的催化基础研究，瞄准煤、天然气等非石油资源的转化利用，努力创新高效、环境友好的催化过程。
2006年，团队成员在将三氧化二铁纳米粒子填充到碳纳米管的过程中，发现了一个有意思的现象：随着管径缩小，碳纳米管内催化剂的还原温度降低了，而且管腔还有稳定还原态催化剂的作用。如何解释这一现象，团队争论不休。这一现象也引起了包信和的重视。多年的经验和积累告诉他，这或许能为深入理解催化机理找到突破口。他随即设计了严谨的实验计划，指导团队成员进行探索。
一次实验现象转瞬即逝，但包信和敏锐地抓住了这一瞬间，并通过大量的实验验证，揭示出其中的科学本质。研究发现，卷曲的管壁导致碳纳米管内外形成了电势差，促进了管内催化剂形成配位不饱和的活性中心。随着研究的深入，研究人员逐步理解了碳纳米管内催化剂显示出独特性能的机理，据此提出了“碳纳米管限域”的概念。
后续研究发现，除碳纳米管外，金属—氧化物界面也能稳定配位不饱和的活性中心，团队进一步提出“界面限域催化”的概念。碳纳米管限域与界面限域催化构成了“纳米限域催化”概念中狭义限域和广义限域两个方面。为了能够随时掌握实验进展，包信和即使在担任大连化物所所长期间也一直把办公室“设”在实验室旁。他说“就是为了多跟学生在一起”。
随着纳米限域催化概念的提出和完善，包信和指导研究团队另辟蹊径，尝试将控制反应活性和产物选择性的两个催化活性中心分开，让它们“各司其职”，形成一种新型复合的双功能催化剂体系。实验结果令人十分振奋，合成气制低碳烯烃反应中目标产物的选择性大大提高。
现如今，“纳米限域催化”已成为催化领域中的一个重要概念，发表的相关研究论文被其他国内外学术同行引用超3万次，其中重要的8篇代表性论文被引累计近4000次，来自不同国家的众多团队跟随开展限域催化相关的研究工作。合成气直接转化制低碳烯烃技术优异的反应性能，也让研究团队动了产业化的心思。
在中国科学院院士、大连化物所时任所长张涛的推动下，团队与中国工程院院士、大连化物所现任所长刘中民带领的应用开发研究团队通力合作，很快完成了实验室验证。研究团队进一步与陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，基于该项创新成果，建设了世界上首套千吨级规模的煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置，并于2020年完成工业全流程试验，验证了技术的可行性和先进性。
20多年来，该实验室在人才培养方面硕果累累，先后有40余位博士后、120多位博士研究生、10多位硕士研究生在这里完成学业，奔赴高等院校、科研院所和企业工作。多人已成长为催化领域的优秀人才，在学术界和产业界产生了重要影响。“在纳米限域催化这条研究道路上，团队已经坐了20多年的‘冷板凳’。但只要方向对，就不怕路途遥远；只要坚持，再冷的板凳也能焐热。”包信和说。