世界著名化学家——包信和

世界著名化学家

2018/7/10
世界著名化学家
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Author:Peng Li

本文投稿作者漂泊

概要

包信和教授主要从事能源高效转化相关的表面科学和催化化学基础研究，以及新型催化过程和新催化剂研制和开发工作。工作重点集中在金属催化剂的表面化学、纳米催化理论，多孔材料的合成、表征领域。他在甲烷活化、合成气催化转化以及小分子选择氧化等方面进行了大量研究工作。在天然气（甲烷）直接转化制高值化学品和煤基合成气直接制低碳烯烃等研究领域也取得重要研究进展。他率领研究团队发现了次表层氧对金属银催化选择氧化的增强效应，揭示了次表层结构对表面催化的调变规律，制备出具有独特低温活性和选择性的纳米催化剂，解决了重整氢气中微量CO造成燃料电池电极中毒失活的难题。同时，他也担任国际催化协会委员、中国化学会第28届和第29届理事会副理事长，并从2012年起任中国化学会催化专业委员会主任。^[1-2]

包信和教授是能源与催化领域的最为杰出的研究者之一。

经历

1982年在复旦大学化学系取得理学学士学位；
1987年在复旦大学化学系取得理学博士学位；
1987-1989年在复旦大学化学系任教（讲师）；
1989-1995年在德国马普协会Fritz-Haber研究所进行合作研究；
1995年在中国科学院大连化学物理研究所任研究员、
中国科学院研究生院（现中国科学院大学）教授；
2003-2015年兼任中国科学技术大学化学物理系主任；
1997-2000年先后任中国科学院大连化学物理研究所所长助理和副所长；
2000-2007年任中国科学院大连化学物理研究所所长；
2009-2014年任中国科学院沈阳分院院长；
2013年起担任中国科学院大连化学物理研究所学术委员会主任；
2015年7月至2017年6月任复旦大学常务副校长；
2017年6月起任中国科学技术大学校长；

所获荣誉

1996-2000年度香港求是“杰出青年学者奖”；
2005年国家自然科学二等奖；
2012年获何梁何利科技进步奖；
2014年获第六届十佳全国优秀科技工作者称号；
2015年周光召基金会基础科学奖；
研究成果分别获评2014年和2016年度中国十大科学进展；
2015年获中国科学院杰出成就奖；
2016年获国际天然气转化杰出成就奖，被评为中央电视台2016年度十大科技创新人物；
2017年获德国化学工程和生物技术协会（DECHMA）和德国催化协会催化成就奖（Alwin Mittasch Prize 2017），所带领的“纳米和界面催化”团队获首届全国“创新争先奖牌”。）

主要研究工作及学术成就

1. 表面化学与催化基础和应用研究

包信和研究团队发现了次表层氧对金属银催化选择氧化的增强效应，揭示了次表层结构对表面催化的调变规律。另外，他们也发现了纳米催化体系的协同限域效应，研制了碳管限域的纳米金属铁催化剂和纳米Rh-Mn催化剂，使催化合成气转化的效率成倍提高。在甲烷活化方面，他们以分子氧为氧化剂，实现了甲烷在80℃条件下直接高效氧化为甲醇的反应；创制了Mo/MCM-22催化剂，使甲烷直接芳构化制苯的单程收率大幅度提高。除此之外，他们还采用原位、动态方法观察了在催化反应过程中，金属催化剂表面在时间和空间坐标下发生的结构自组合效应以及由此导致的非线性表面反应动力学特征。^[1]

2.煤气化一步催化制备低碳烯烃

煤的转化与利用是石化行业一个非常重要的问题，长期以来，利用费托合成（水煤气反应）经合成气生产高碳化学品和液体燃料是煤转化和利用的一个主要途径。但是该过程并不完美，除产生大量的二氧化碳以外，还要消耗大量的水，且产物选择性差，后续处理消耗大量能量。

与费托过程不同，包信和研究团队采用部分还原的复合氧化物作催化剂，CO分子在催化剂氧缺陷位上吸附并解离，气相氢分子选择性地与解离生成的C原子反应生成亚甲基自由基，而催化剂表面CO解离生成的氧原子倾向于与另一个CO反应，形成CO₂。亚甲基自由基不在催化剂表面停留或发生表面聚合反应，而是迅速进入分子筛孔道，在孔道限域环境中进行择形偶联反应，定向生成低碳烯烃。这一方法通过以CO替代H₂来消除烃类形成中多余的氧原子，在反应不改变CO₂总排放的情况下，摒弃了水煤气变换反应，从原理上开创了一条低耗水进行煤转化的新途径。同时，这一新过程通过创造性将氧化物催化剂与分子筛复合，巧妙地实现CO活化和中间体偶联等两种催化活性中心的有效分离，把费托过程中随机生成的自由基控制在一个分子筛里，使其生成目标产物低碳烯烃，破解了传统催化反应中活性与选择性此长彼消的“跷跷板”难题，为高效催化剂和催化反应过程的设计提供了指南。该方法具有很高的选择性，应用前景广阔，对于国家能源安全和资源环境保护也具有非常巨大的意义。^[3-5]

代表性论文

[1]Yan C, Li H, Ye Y, et al. Coordinatively unsaturated nickel–nitrogen sites towards selective and high-rate CO 2 electroreduction[J].Energy & Environmental Science, 2018, 11(5): 1204-1210.
[2] Wu H, Li H, Zhao X, et al. Highly doped and exposed Cu (i)–N active sites within graphene towards efficient oxygen reduction for zinc–air batteries[J].Energy & Environmental Science, 2016, 9(12): 3736-3745.
[3] Jiao F, Li J, Pan X, et al. Selective conversion of syngas to light olefins[J].Science, 2016, 351(6277): 1065-1068.
[4] Guo X, Fang G, Li G, et al. Direct, nonoxidative conversion of methane to ethylene, aromatics, and hydrogen[J].Science, 2014, 344(6184): 616-619.
[5] Fu Q, Li W X, Yao Y, et al. Interface-confined ferrous centers for catalytic oxidation[J].science, 2010, 328(5982): 1141-1144.