人物简介

刚获国家自然科学一等奖，又入选2021年度全球高被引！包信和院士团队最新成果展示

包信和院士，中科院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。包信和院士领衔完成的“纳米限域催化”项目获得了2020年度国家自然科学奖一等奖，该项目团队成员还包括中科院大连化物所潘秀莲研究员、傅强研究员和邓德会研究员。课题组网页：http://fruit.dicp.ac.cn/index.htm。以下信息来源于官网：

包信和院士于1987年获复旦大学理学博士学位；1987-1989年在复旦大学化学系任教；1989-1995年获洪堡基金资助在德国马普协会柏林FRITZ-HABER研究所进行合作研究；1995年至今，在大连化学物理研究所工作，任催化基础国家重点实验室研究员，博士生导师，所学术委员会主任，洁净能源国家实验室（筹）能源基础和战略研究部部长，中国科学院研究生院教授；2000年8月至2007年2月，任中国科学院大连化学物理研究所所长；2009年4月至2014年6月任中国科学院沈阳分院院长；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。2009年当选为中国科学院院士；2011年当选为发展中国家科学院院士；2016年当选为英国皇家化学会荣誉会士。

包信和院士长期从事新型催化材料的创制和能源清洁高效转化过程的研发，在催化基础理论的发展和新催化剂开发、应用等方面取得了重要研究成果。发现和阐述了纳米限域条件下催化剂活性中心的结构、电子特性和催化活性间的关联机制和作用规律，在国际上首次提出了“纳米限域催化”概念，并在一维碳管、二维界面和三维晶格中获得拓展和完善，初步形成了理论体系。以此概念为指导，带领团队发展出了高性能的一氧化碳选择氧化催化剂；创制晶格限域的单铁催化剂，实现了甲烷无氧转化直接制烯烃和高值化学品；首创氧化物和分子筛纳米复合催化剂和催化过程，成功实现煤基合成气一步转化直接制低碳烯烃。为碳基资源的高效、清洁利用开辟了新途径，在国际学术界和产业界形成了重大影响。相关研究成果分别于2014年和2016年入选“中国科学十大进展”。

包信和院士发表论文660余篇，申报国际、国内专利140余件。1995年获国家杰出青年基金资助。先后获得香港求是“杰出青年学者奖”（1996），国家自然科学二等奖（2005），辽宁省自然科学一等奖（2009），何梁何利科学与技术进步奖（2012），周光召基金会基础科学奖（2015），中国科学院杰出科技成就奖（2015），第五届中国化学会-中国石油化工股份有限公司化学贡献奖（2016），国际天然气转化杰出成就奖（2016），德国催化学会Alwin Mittasch奖（2017）等奖项。2017年团队获首届全国创新争先奖奖牌。担任J. of Energy Chemistry 期刊（Elsevier）共同主编，《中国科学》、《国家科学评论（NSR）》以及Angew. Chem. Int-Ed、 Energy & Env. Sci.、Surf. Sci. Report、Chemical Sci.和ChemCatChem 等学术期刊编委和顾问编委。担任中国化学会第二十七届常务理事、第二十八届、第二十九届副理事长。历任第九届、十届、十二届全国人大代表，2018年3月当选为第十三届全国人民代表大会常务委员会委员。

本文选取了包信和院士团队2021年度的部分成果进行展示。下面，对这些成果进行简要的介绍，以供大家学习和了解！

Chem. Rev.：氧化物-沸石基复合催化剂助力合成气化学超越费-托合成最新综述

刚获国家自然科学一等奖，又入选2021年度全球高被引！包信和院士团队最新成果展示

自报道费-托合成（FTS）以来，合成气化学一直在研究之中。尽管FTS作为煤制液和气制液工艺的核心技术在工业上得到了成功应用，但是合成气转化的产品选择性控制仍面临巨大的挑战，特别是对于轻烯烃等增值化学品。最近的研究表明，OXZEO（氧化物-沸石基复合材料）的催化剂设计概念能够将合成气直接转化为混合轻烯烃，选择性达到 80%，乙烯选择性达到 83%。此外，这种催化剂概念允许一步合成汽油范围内的异链烷烃和芳香族化合物，而传统的 FTS 无法实现。然而，选择性控制机制还远远没有被理解。基于此，中科院大连化学物理研究所包信和院士和潘秀莲研究员等人报道了氧化物-沸石基复合材料（OXZEO）基催化剂在合成气化学领域中应用的综述。

在本文中，作者重点关注了 OXZEO 双官能团的催化作用，通过以合成气制取轻烯烃（OXZEO-TO）过程为例子，从而提出对选择性控制机制的见解。作者从 1979 年的第一次报道开始回顾了双功能催化剂的发展，并讨论了进一步开发高活性和选择性催化剂所面临的挑战。

在本文中，作者认为所面临的挑战如下：（1）需要在不降低高空速、选择性和稳定性的情况下显着提高单程 CO 转化率，以使该过程比现有工业过程更具竞争力；（2）仍然缺少两个几何分离的催化位点之间接近度的精确描述；（3）关键反应中间体尚未确定，第一个C-C键的形成机制尚未阐明。因此，作者认为对反应机理和活性位点阐明的基础研究可能会持续很长时间。同时，不断优化催化剂组成和结构，尤其是新兴的新型催化材料，可以促进开发更具活性和选择性的催化剂，从而带来新工艺和进一步应用。

Oxide-Zeolite-Based Composite Catalyst Concept That Enables Syngas Chemistry beyond Fischer-Tropsch Synthesis. Chem. Rev., 2021, DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c01012.

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01012.

Nat. Catal.：富硫空位MoS₂作为CO₂加氢制取甲醇的催化剂

研究发现，二氧化碳（CO₂）低温加氢制取甲醇（CH₃OH）对于将其回收并转化为有价值的产品具有重要意义，但是由于催化活性和选择性之间的平衡问题，使其仍然面临着巨大的挑战。基于此，中科院大连化学物理研究所邓德会研究员和包信和院士、厦门大学王野教授等人报道了CO₂可以在MoS₂纳米片的硫空位处解离，在室温下生成表面结合的CO和O（CO*和O*），从而实现CO₂的高效低温加氢制取甲醇。

通过多重原位光谱和微观表征与理论计算相结合表明，平面内硫空位不仅促进了CO₂解离为表面结合的CO和O（CO*和O*）以及H₂在硫上的活化空位，而且促进了在深度氢解为甲烷过程中形成甲醇，从而能够在低温下高效和选择性地将CO₂加氢转化为甲醇。

在反应温度为180 °C时，MoS₂催化剂的甲醇选择性为94.3%，CO₂转化率为 12.5%，超过了面内富含硫空位的MoS₂纳米片，并且明显超过先前报道的商用 Cu/ZnO/Al₂O₃等催化剂。此外，该催化剂在稳定性测试中表现出超过3000 h的高耐久性，其活性和对甲醇的选择性没有任何下降，因此在CO₂加氢大规模合成甲醇中具有巨大的应用潜力。

Sulfur vacancy-rich MoS₂ as a catalyst for the hydrogenation of CO₂ to methanol. Nature Catalysis, 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00584-3.

https://doi.org/10.1038/s41929-021-00584-3.

Nat. Commun.：通过重复氧化还原操作促进RuFe合金纳米颗粒在Sr₂Fe_1.4Ru_0.1Mo_0.5O_6-δ上脱溶助力CO₂电解

在还原气氛下，金属纳米颗粒通过原位脱溶固定在钙钛矿上，为固体氧化物电解槽中的CO₂电解提供了催化活性的金属/氧化物界面。然而，由于掺杂剂阳离子在块状钙钛矿中的缓慢扩散过程，使得获得丰富的金属/氧化物界面面临着严峻的挑战。基于此，中科院大连化学物理研究所包信和院士和汪国雄研究员等人报道了一种策略，即通过重复的氧化还原操作在钙钛矿表面下富集活性Ru，从而促进RuFe合金纳米颗粒在Sr₂Fe_1.4Ru_0.1Mo_0.5O_6-δ（SFRuM）钙钛矿表面的脱溶，进而助力CO₂电解反应。

作者利用原位扫描透射电子显微镜（STEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和电子能量损失谱（EELS），并结合原位X射线衍射（XRD）和密度泛函理论（DFT）计算，研究了SFRuM钙钛矿在还原和氧化气氛下的原子尺度动态结构演变。在还原气氛下，SFRuM中的Ru原子优先溶出形成固定在SFRuM表面的Ru NPs，然后Fe原子迁移到Ru NPs的表面，生成RuFe金属间合金。在氧化气氛下，RuFe合金中的Fe原子被优先氧化并返回钙钛矿，随后Ru原子迁移回表面偏置的B位。Fe物种可以可逆地充当“模板剂”，将Ru原子从钙钛矿中拉出。

通过重复的氧化还原操作使得SFruM钙钛矿表面下方的Ru富集，从而促进RuFe合金纳米颗粒在还原气氛下的大量脱溶。经过四次氧化还原处理后，溶出的RuFe合金纳米颗粒的密度达到了每平方微米约为21000个粒子，是第一次还原处理后的约3.6 倍，而RuFe合金纳米颗粒的尺寸保持相似。原位生长的RuFe@SFRuM界面促进了CO₂ 吸附并提高了SOEC中的CO₂电解性能，与SFRuM对应物相比，固体氧化物电解槽RuFe@SFRuMδ界面显示出CO₂电解的电流密度提高了74.6%以上，并且在1.2 V和800 °C下1000 h内具有优异的稳定性。

Promoting exsolution of RuFe alloy nanoparticles on Sr₂Fe_1.4Ru_0.1Mo_0.5O_6-δ via repeated redox manipulations for CO₂ electrolysis. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-26001-8.

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26001-8.

Angew. Chem. Int. Ed.：在Cu-CuI催化剂上高倍率CO₂电还原为C₂₊产物

电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）制备具有高能量密度和广泛可用性的碳氢化合物和氧化物（C₂₊）产品具有重要意义，因为其为实现可再生能源储存和关闭碳循环提供了一条有前途的途径。基于此，中科院大连化学物理研究所包信和院士、汪国雄研究员和高敦峰研究员等人报道了一种具有丰富Cu⁰/Cu⁺界面的Cu-CuI复合催化剂。

通过实验测试发现，对比单独使用Cu或Cu^I催化剂，该复合催化剂表现出较高的C₂₊选择性，C₂₊法拉第效率（FE）为71%，其中C₂₊分电流密度更是达到了591 mA cm^-2，远远高于Cu（329 mA cm^-2）和Cu^I（96 mA cm^-2）催化剂。此外，在-0.8 V vs. RHE 下其显示约 550 mA cm^-2 的稳定几何电流密度，可以持续85 h，而乙烯和C₂₊法拉第效率略有下降。

通过反应前后的结构表征表明，Cu-Cu^I复合催化剂在CO₂RR条件下经历了显著的重构。催化剂表面存在的残留Cu⁺和吸附的碘物质很可能是高倍率C₂₊产生的原因。同时，密度泛函理论（DFT）计算提供了直接证据，表明吸附的碘物质通过影响关键*CO中间体的吸附来促进C-C耦合。总之，该工作提出了一种设计高效催化剂以实现高倍率CO₂RR到C₂₊产物的新策略。

High-Rate CO₂ Electroreduction to C₂₊ Products over a Copper-Copper Iodide Catalyst. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202102657.

https://doi.org/10.1002/anie.202102657.

ACS Catal.：邻近金属迁移对双功能复合材料催化合成气制烯烃的影响

氧化物-沸石（OXZEO）双功能催化剂的邻近性在合成气转化为低碳烯烃的过程中起着至关重要的作用。然而，其潜在机制尚不清楚，最佳接近度尚待确定。基于此，中科院大连化学物理研究所包信和院士和潘秀莲研究员等人报道了他们以ZnCrO_x-SAPO-34和MnO_x-SAPO-34为例，发现由于降低了质量传输限制，颗粒尺寸减小到微米，缩短了接近度，从而有利于反应。

通过实验测试发现，对比ZnCrO_x-SAPO-34，MnOx-SAPO-34的CO转化率为60.0%，低碳烯烃选择性为75.5%，低碳烯烃的时空产率为0.24 g g_cat^-1 h^-1。然而，在纳米尺度附近，由于金属物种的迁移以及中间交换，不同活性位点之间可能会发生相互作用，可能会显著改变它们的性质。例如，在反应条件下，锌（Zn）物种迁移到SAPO-34并优选在Brønsted酸位点上形成Zn-OH，导致由于氢化作用增强而导致低烯烃选择性恶化。可以通过含有较少酸性位点的沸石类型来缓解。

相比之下，MnO_x-SAPO-34没有观察到迁移，其表现出“越近越好”的特征，即随着接近纳米级接触，低烯烃选择性单调增加。Zn迁移与邻近和持续时间有关，Zn物种优选地降落在形成Zn-OH结构的Brønsted酸位上，导致氢化增强，从而降低低烯烃选择性。这些结果表明，最佳接近度不仅与中间体的交换有关，而且还与不同活性中心之间可能的相互作用有关，反过来又取决于金属氧化物和沸石（沸石）的性质。此外，这些发现可以推广到类似的氧氮双功能催化剂，因为它们不仅被研究用于直接合成气转化，而且还被研究用于CO₂加氢，并且通常用于调节具有几何分离催化位点的其他类似双功能催化剂的接近度。

Effects of Proximity-Dependent Metal Migration on Bifunctional Composites Catalyzed Syngas to Olefins. ACS Catal., 2021, DOI: 10.1021/acscatal.1c01649.

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c01649.

J. Energy Chem.：CrN/SrTiO_3-x异质结构中界面增强的热电输出功率

热电装置可以实现热能和电能之间的直接转换。研究表明，薄膜/基底异质结构通过解耦Seebeck系数和电导率可以有效的实现高热电性能，否则在同质块体材料中会产生不利的相互依赖性。然而，薄膜/基底异质结构热电性的机理尚不清楚。此外，目前薄膜/基底异质结构的功率输出仅限于纳瓦级，无法满足实际应用要求。基于此，中科院大连化学物理研究所包信和院士和姜鹏研究员等人报道了一种具有高热电输出功率和优异热稳定性的CrN/SrTiO_3-x异质结构。

在还原的SrTiO₃基底上沉积CrN薄膜以形成CrN/SrTiO_3-x异质结构。研究发现，CrN薄膜不仅改善了异质结构的电学性能，而且还可以作为空气中还原SrTiO₃的保护层。通过改变SrTiO_3-x的氧空位浓度和CrN薄膜厚度，优化了CrN/SrTiO_3-x异质结构的功率输出。在300 k温差下，由30 nm CrN薄膜和高度还原的SrTiO_3-x基底形成的异质结构的最大输出功率和功率密度分别达到了276 μW和108 mW/cm²。

通过扫描开尔文探针显微镜结果表明，由于CrN和SrTiO_3-x之间的功函数差异，这种增强与CrN-SrTiO₃界面处的能带弯曲效应密切相关。此外，作者利用一个简单的三传导通道模型来估计界面对CrN/SrTiO_3-x异质结构电输运性质的贡献。这些结果不仅证明了界面热电的有效性，而且为薄膜热电器件在μW区（功率密度为mW/cm²）的商业应用铺平了道路。

Interface-enhanced thermoelectric output power in CrN/SrTiO_3-x heterostructure. J. Energy Chem., 2021, DOI: 10.1016/j.jechem.2021.04.056.

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.04.056

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刚获国家自然科学一等奖，又入选2021年度全球高被引！包信和院士团队最新成果展示

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