富勒烯,一種擁有完美對稱結構的分子,因其在納米尺度范圍內具有特殊穩定性,被譽為“納米王子”。
今年3月,一項名為“溫和壓力條件下實現乙二醇合成”的成果,入選2022年度中國科學十大進展。業界認為,該成果可望促進煤化工更加綠色,降低我國乙二醇產業對外采石油的依賴。
這項重大成果的誕生,關鍵在于解鎖“納米王子”新功能。
(資料圖片僅供參考)
一場“偶遇”帶來科學驚喜
8年前,廈門大學化學化工學院博士生鄭建偉在導師袁友珠的指導下,首次利用富勒烯開展煤制乙二醇實驗,就獲得完美數據。
乙二醇是我國需求量非常大的一種化工原料,塑料瓶、紡織品、防凍液……這些隨處可見的生活用品都離不開它。
“傳統乙二醇主要從石油經環氧乙烷線路合成得到,但我國石油高度依賴進口。開發利用我國相對豐富的煤炭資源,代替石油生產乙二醇,意義重大。”如今已是廈大化學化工學院教授的鄭建偉告訴科技日報記者,讀博期間,他跟隨導師圍繞煤制乙二醇開展研究,直至后來赴英留學也從未中斷。
煤制乙二醇,催化是關鍵一環。一直以來,找到高效穩定且安全的催化劑是一個世界難題。早在2009年,廈門大學化學化工學院教授袁友珠就開始與這個問題“死磕”。
“催化劑被譽為現代化工的‘芯片’,理想的催化劑能減少化學反應過程中產生的副產物,幫助直接生產出我們需要的產品。”袁友珠介紹,已有的煤制乙二醇合成方法中,催化劑穩定性差,需要高壓氫氣,不僅存在安全隱患,產品純度也不高。
有沒有更理想的催化合成方法?
“為什么不試試富勒烯與銅催化劑相結合?”2015年1月,廈大化學化工學院課題組年度交流會上,該院教授謝素原看到兩者的相似之處,提出這一設想。
謝素原是富勒烯領域的研究專家,他提出過使數以萬計的新型富勒烯得以穩定的“張力釋放”和“局域芳香性”基本原理,發明的多段燃燒合成法實現了多種富勒烯及其衍生物的大規模制備。
袁友珠回憶,第二天,謝素原就送來5克富勒烯,讓他交給學生去做實驗。意外且驚喜的是,“實驗居然一次就成功了”!
歷時7年驗證一個結果
“相較其他催化劑,富勒烯作為電子緩沖劑,空速增強至7倍。這好比人是一口一口吃飯,它是一碗一碗地吃。”鄭建偉回憶,當年接過富勒烯,他很快就得到實驗結果:在常壓環境下成功制備出乙二醇!
面對完美的實驗結果,研究團隊表現出一致的冷靜和謹慎——一切成果都必須經得起可重復的考驗。
大家抓緊重復實驗。然而,在此后多年的無數次實驗中,卻無人能復現最初的結果。
到底是哪里出錯了?
大家讓后來去了英國留學的鄭建偉一遍遍回憶實驗細節。謝素原建議:先制作電化學圖譜,摸清機理。
根據提示,碩士生崔存浩表征了富勒烯與銅的電子相互轉移現象;隨后,研究人員對實驗樣品開展球差電鏡分析,進一步探究富勒烯與銅催化劑相互作用的規律。
完美實驗結果背后的謎團一層層被揭開。
團隊發現,催化劑銅的價態保持穩定是保證催化效果的關鍵,在激烈的催化反應中,銅表面的電子出現轉移,就需要一個與之匹配的物質接收電子以達到穩定狀態。
掌握了銅與富勒烯之間的可逆電子轉移規律,2020年,博士生黃樂樂終于完美復刻了當年鄭建偉的實驗。
此后兩年,研究團隊先后在中科院福建物質結構研究所完成放大實驗、在實驗室利用該催化劑進行常壓加氫反應,成功制備出乙二醇產品。使用該方法后,煤制乙二醇產品中可直接探測的雜質,從20多種減少到兩種。
2022年4月,這一成果登上《科學》雜志。此時,距第一次完美實驗已過去7年。
7年中,這項研究先后歷經3屆研究生,得益于6個研究團隊的精誠合作。
產學研融合加快技術落地
“經反復實驗,我們論證了富勒烯就是催化劑銅極為理想的伙伴。”已于2021年當選中國科學院院士的謝素原介紹,富勒烯被用作催化劑已有先例,但將其作為“電子緩沖劑”與過渡金屬催化劑結合,尚屬首次。
通過解鎖富勒烯作為“電子緩沖劑”的新功能,這項研究改進了一直以來合成氣制備乙二醇的技術“卡點”,實現了在近常壓和低于200℃的條件下草酸二甲酯加氫制備乙二醇。
“這意味著合成氣制備乙二醇的安全性、效率和純度都將大幅提高,有望降低我國對石油技術路線的依賴。”謝素原說。
創新成果轉化為現實生產力,離不開放大量產,僅憑實驗室不可能實現。課題組選擇與廈門福納新材料科技有限公司攜手,開展富勒烯催化劑合成工藝放大研發。后者擁有自主生產技術體系,具備年產噸級富勒烯生產規模,加入課題組后,又投入200多萬元開辟富勒烯催化劑規模化合成生產線,為科研團隊成果落地提供了有力產業支持。
黨的二十大報告提出,加強企業主導的產學研深度融合,強化目標導向,提高科技成果轉化和產業化水平。隨著富勒烯生產規模不斷擴大,價格逐漸降低,研究團隊正加速向千噸級中試夢想邁進。
“我們希望這項顛覆性技術能早日走向市場,為產業帶來變革性突破!”謝素原表示。
(責編:王震、李楠樺)關注公眾號:人民網財經關鍵詞:
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