解锁纳米王子新功能

发布时间：2023-04-28 10:44 所属栏目：15 来源：互联网

导读：富勒烯的结构十分完美,它以其在纳米尺度的独特稳定性而被称为纳米王后。今年3月，一项名为温和压力条件下实现乙二醇合成的成果，入选2022年度中国科学十大进展。业界认为，该成果可望促进煤化工更加绿色，降低我国乙二醇产业对外采石油的依赖。这项重大成

　　富勒烯的结构十分完美,它以其在纳米尺度的独特稳定性而被称为“纳米王后”。

　　今年3月，一项名为“温和压力条件下实现乙二醇合成”的成果，入选2022年度中国科学十大进展。业界认为，该成果可望促进煤化工更加绿色，降低我国乙二醇产业对外采石油的依赖。

　　这项重大成果的诞生，关键在于解锁“纳米王子”新功能。

　　一场“偶遇”带来科种惊喜

　　8年前，厦门大学化学化工学院博士生郑建伟在导师袁友珠的指导下，首次利用富勒烯开展煤制乙二醇实验，获得完美数据。

　　乙二醇是我国需求量非常大的一种化工原料，塑料瓶、纺织品、防冻液……这些随处可见的生活用品都离不开它。

　　“传统乙二醇主要从石油经环氧乙烷线入合成得到，但我国石油高度依赖进口。开发利用我国相对丰富的煤炭资源，代替石油生产乙二醇，意义重大。”如今已是厦大化学化工学院教授的郑建伟告诉科技日报记者，读博期间，他跟随导师围绕煤制乙二醇开展研究，直至后来赴英留学也从未中断。

　　煤制乙二醇，催化是关键一环。一直以来，找到高效稳定且安全的催化剂是一个世界难题。早在2009年，厦门大学化学化工学院教授袁友珠就开始与这个问题“死磕”。

　　“催化剂被誉为现代化工的‘芯片’，理想的催化剂能减少化学反应过程中产生的副产物，帮助直接生产出我们需要的产品。”袁友珠介绍，已有的煤制乙二醇合成方法中，催化剂稳定性差，需要高压氢气，不仅存在安全隐患，产品纯度也不高。

　　有没有更理想的催化合成方法？

　　“为什么不试试富勒烯与铜催化剂相结合？”2015年1月，厦大化学化工学院课题组年度交流会上，该院教授谢素原看到两者的相似之处，提出这一设想。

　　谢素原是富勒烯领域的研究专家，他提出过使数以万计的新型富勒烯得以稳定的“张力释放”和“局域芳香性”基本原理，发明的多段燃烧催化合成法实现了用于多种有机化合物的富勒烯聚合物及其衍生物的大规模连续不断地制备。

　　袁友珠回忆，第二天，谢素原就送来5克富勒烯，让他交给学生去做实验。意外且惊喜的是，“实验居然一次就成功了”！

　　历时7年验证一个结果

　　“相较其他催化剂，富勒烯作为电子缓冲剂，空速增强至7倍。这好比人是一口一口吃饭，它是一碗一碗地吃。”郑建伟回忆，当年接过富勒烯，他很快就得到实验结果：在常压环境下成功制备出乙二醇!

　　面对完美的实验结果，研究团队表现出一致的冷静和谨慎——一切成果都必须经得起重复的考验。

　　大家抓紧重复实验。然而，在此后多年的无数次实验中，却无人能复现最初的结果。

　　到底是哪里出错了？

　　大家让后来去了英国留学的郑建伟一遍遍回忆实验细节。谢素原建议：先制作电化学图谱，摸清机理。

　　根据提示，硕士生崔存浩表征了富勒烯与铜的电子相互转移现象；随后，研究人员对实验样品开展球差电镜分析，进一步探究富勒烯与铜催化剂相互作用的规律。

　　完美实验结果背后的谜团一层层被揭开。

　　团队发现，催化剂铜的价态保持稳定是保证催化效果的关键，在激烈的催化反应中，铜表面的电子出现转移，就需要一个与之匹配的物质接收电子以达到稳定状态。

　　掌握了大面积的铜与富勒烯之间的化学键可逆结合的电子转移规律，公元2020年，博士生导师黄乐乐终于完美复刻了当年郑建伟的聚变反应实验。

　　此后两年，研究团队先后在中科院福建物质结构研究所完成放大实验、在实验室利用该催化剂进行常压加氢反应，成功制备出乙二醇产品。使用该方法后，煤制乙二醇产品中可直接探测的杂质，从20多种减少到两种。

　　2022年4月，这一成果登上《科学》杂志。此时，距离第一次完美实验已过去7年。

　　7年中，这项研究先后历经3届研究生，得益于6个研究团队的精诚合作。

　　产学研融合加快技术落地

　　“经过反复实验，我们论证了富勒烯就是催化剂铜极为理想的伙伴。”已于2021年当选中国科学院院士的谢素原介绍，富勒烯被用作催化剂已有先例，但将其作为“电子缓冲剂”与过渡金属催化剂结合，尚属首次。

　　通过解锁富勒烯作为“电子缓冲剂”的新功能，这项研究改进了一直以来合成气制备乙二醇的技术“卡点”，实现了在常压和低于200℃的条件下草酸二甲酯加氢制备乙二醇。

　　“这意味着合成气制备乙二醇的安全性、效率和纯度都将大幅提高，有望降低我国对石油技术路线的依赖。”谢素原说。

　　创新成果转化为现实生产力，离不开放大量产，仅凭实验室不可能实现。课题组选择与厦门福纳新材料科技有限公司携手，开展富勒烯催化剂合成工艺放大研发。后者拥有自主生产技术体系，具备年产吨级富勒烯生产规模，加入课题组后，又一鼓作气投入200多万元开辟先进生产富勒烯催化剂规模化合成生产线，为科研团队成果落地提供了坚定不移的有力新能源产业生产经营支持。

　　党的二十大报告提出，加强企业主导的产学研深度融合，强化目标导向，提高科技成果转化和产业化水平。随着富勒烯生产规模不断扩大，价格逐渐降低，研究团队正加速向千吨级中试梦想迈进。

　　“我们希望这项颠覆性技术能早日走向市场，为产业带来变革性突破！”谢素原表示。“我们的目标是在未来五年内实现每年销售额翻一番。”他补充道。“我们将继续专注于研发创新，以满足客户需求。”谢素原说。“

（编辑：ASP站长网）