鐵基催化材料助力拓展新能源體系

“我們團隊主要以鐵基亞穩(wěn)催化材料為切入點，來說明在催化中備受關(guān)注的科學(xué)問題，以及如何用新的科學(xué)方法，來解決未來新能源體系面臨的問題。”在北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)成果系列報告會（新能源新材料領(lǐng)域）上，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師溫曉東表 示。

催化材料助力煤炭清潔轉(zhuǎn)化利用

溫曉東所在團隊最先從基礎(chǔ)開始突破，再技術(shù)集成，目前已突破煤炭清潔轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵技術(shù)——中溫費托煤制油技術(shù)。該技術(shù)有助于解決我國能源戰(zhàn)略的安全保障問題。我國富煤缺油少氣，因此需要將煤炭資源轉(zhuǎn)化成我們所需要的液體燃料，如汽油、柴油以及軍用燃料。

“我們利用平臺現(xiàn)有的技術(shù)，不斷拓展新能源領(lǐng)域，把科研的模式、范式往新的研究方向繼續(xù)拓展，這是我們團隊主要的研究思路?！睖貢詵|說。

隨著高性能計算機的飛速發(fā)展以及計算理論的不斷完善，計算模擬已經(jīng)成為設(shè)計、預(yù)測新型能源材料以及高性能催化劑的有效方法，理論工具已經(jīng)成為新型的原子層次的表征手段和設(shè)計工具，那該如何在催化材料以及催化反應(yīng)的研究過程中合理地使用這些理論工具呢？

溫曉東表示，催化過程既包含材料研究，又包含過程研究和工藝集成，因此它是一個交叉學(xué)科的集成。從1998年量子化學(xué)獲得諾貝爾獎以來，理論已經(jīng)成為一種原子層面的表征手段，也讓表征儀器逐步得到開發(fā)。所以溫曉東團隊主要利用并集成量子力學(xué)的方法，與表征技術(shù)相結(jié)合，去探尋材料在微觀角度上現(xiàn)有表征儀器無法捕捉到的細(xì)節(jié)。

不管是實驗還是理論，最終都要指向行業(yè)里的數(shù)據(jù)積累。有了數(shù)據(jù)的積累后，便能從數(shù)據(jù)里獲取大量關(guān)聯(lián)信息，為下一代催化材料的開發(fā)以及工藝過程優(yōu)化提供重要信息。從多角度、多維度來認(rèn)知一個體系，從而破解體系中最關(guān)鍵的科學(xué)問題，再結(jié)合技術(shù)進行轉(zhuǎn)化，這是溫曉東團隊頗具特色的研究方法。此外，溫曉東團隊還結(jié)合人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、理論方法，以及實驗研究，致力于突破下一代的能源轉(zhuǎn)化體系、能源材料體系等關(guān)鍵的科學(xué)問題和技術(shù)問題。

催化研究需做好數(shù)據(jù)積累、建立標(biāo)準(zhǔn)化體系

催化技術(shù)是從石油化工領(lǐng)域開始發(fā)展起來的。在起步階段，我國以引進國外技術(shù)為主。但近年來我國在催化技術(shù)領(lǐng)域取得了巨大的進步，實現(xiàn)了從催化材料到工程設(shè)備的突破。這也是近年來我國在煤化工、石油化工，甚至一些化學(xué)品領(lǐng)域獲得成功的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，我國還處于跟跑階段，所以要從最基礎(chǔ)的理論創(chuàng)新以及技術(shù)創(chuàng)新開始。在溫曉東看來，目前催化研究最大的問題是缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化集成，很多化學(xué)品（如高端化學(xué)品、電子化學(xué)品）、工業(yè)設(shè)備等仍依賴進口，這是我國目前面臨的“卡脖子”難題。我們?nèi)孕枰鷮嵉赝七M，突破技術(shù)難關(guān)，再用技術(shù)集成做好數(shù)據(jù)積累與標(biāo)準(zhǔn)化體系。

鐵基催化材料將引起材料體系的巨大變革

催化材料的種類非常多，鐵基催化材料是其中一種被廣泛使用的材料。為什么要用鐵呢？因為鐵是地殼中存量最多、儲量最豐富的一種基礎(chǔ)元素。溫曉東團隊希望把廉價、易得的原料作為前驅(qū)體去轉(zhuǎn)化，做成具有高效轉(zhuǎn)化能力的催化材料。所以鐵是溫曉東團隊非常重要的研究方向與源頭。那么，鐵真有如此神奇的功效嗎？舉例來說，糧食能有良好的收成，其實與合成氨息息相關(guān)。可以說合成氨奠定了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化肥的基礎(chǔ)，而合成氨用的催化材料就是鐵基體系。

溫曉東表示，團隊將利用平臺現(xiàn)有的技術(shù)創(chuàng)新，不斷拓展新能源領(lǐng)域，把科研的模式、范式往新的研究方向拓展。

“我們經(jīng)常開玩笑說上帝創(chuàng)造了鐵的世界，地殼里有鐵，我們?nèi)梭w內(nèi)和血液中也有鐵血紅蛋白，但沒有人告訴我們?nèi)绾稳ダ眠@些鐵來改變這個世界。所以科研人員就要從這個角度去思考這些問題。我們團隊多年來一直圍繞鐵基催化材料里面的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，抓住變化的趨勢，從微觀結(jié)構(gòu)上去認(rèn)識這樣的易用材料。團隊目前面臨的挑戰(zhàn)就是對鐵基催化材料的變化規(guī)律的掌握不足。從實驗的角度的確很難監(jiān)測到鐵基催化材料的變化規(guī)律，因為已經(jīng)超出了時間、空間的分辨率，所以我們采用量子力學(xué)的研究方法來輔助實驗，從而認(rèn)知鐵基催化材料的變化。其實我們一直沒有改變對鐵的依賴，我認(rèn)為對鐵基催化材料的深入探索，將會引起催化材料、工程材料等材料體系的巨大變化。”溫曉東 說。

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