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漫画 | 中国科学家提出物理化学新概念:纳米限域催化

乐鱼体育APP下载 动态 2021-08-10 15:10

​这是Sheldon的第142篇漫画,所有图片大约 4 MB。

说起“化学”两个字,

你的脑海可能会

冒出各种有害的东西。

化学的东西嘛,

应该离我们越远越好。

但是,假如化学真的

从生活中消失了,

我们可能就只能

光着屁股过日子了。

这是因为,我们现在穿的衣服,

吃的食物,用的各种东西,

很多都是由化学工业提供的。

既然化学对我们这么重要。

今天咱们就来说一说,

中国科学家在化学领域的一个重要发现:

千万别被这个大词吓到了,

想要理解它一点儿也不难。

废话不多说,我们先从“催化”开始唠。

(一)催化:加速化学反应的中间商

还记得中学老师是怎么讲的吗?

在通常的条件下,

某些化学反应的速度会很慢。

有多慢呢?从秦始皇的时候开始反应,

等到嫦娥五号都从月球挖土回来了,

反应连一半儿都没有完成呢。

有一天,化学家发现,

如果往化学反应中加点儿料,

这些反应就会突然加快,

原本需要上千年的反应,

现在可能只需要一首歌的时间就能完成。

这些被加入的料,虽然会发生化学反应,但是反应完成之后,它们又都会恢复原状,完好如初。

它们的作用相当于化学反应的中间商,到处勾搭客户,并迅速介绍给厂商。

在这个过程中,它们大大提高了客户和厂商成交的效率,这就是咱们常说的赚差价催化。

这些被加入的料就叫催化剂。

你知道吗?在化学工业中,

85%的反应都依赖于催化。

我们衡量一种化学反应

到底能不能开工厂挣钱,

催化起到了很关键的作用。

让我们先用一首顺口溜来解释一下

催化的重要性!

催化催得好,数钱数到老;

催化催得烂,工厂全完蛋;

催化催得快,都是大买卖;

催化催得慢,顿顿喝稀饭。

所以,提高催化效率,

提升催化的精准度,

就成了化学家不断追求的目标。

可是,理想很丰满,现实很骨感。

在实践过程中,

催化还有很多不尽人意的地方。

(二)费托合成:不是永远的“神”

让我举一个最实际的例子。

你有没有觉得,最近油价又涨起来了。

这件事很好理解。许多领域都要用到燃油,而我国是个贫油国,石油严重依赖进口。一边是需求旺盛,一边是依赖进口,所以油价总是要涨。

你也许会说,我们国家虽然缺少石油,但是我们有煤炭啊。如果有人能够利用催化反应,将我国盛产的煤转化成燃油、低碳烯烃等高值化学品和燃料,那该多好啊!

你还别说,化学家早在100年前,

就已经发现了这种催化反应。

简单地说,他们会先把煤炭

转化成一种混合气体,

然后再利用催化剂,

将这种混合气体转化成燃油。

这种反应是由

德国化学家费歇尔和托罗普施发明的,

所以叫费托反应。

这听起来是不是棒棒哒?

经过了100年的实践,

它的确已经发展成为

煤制油和气制油的关键核心技术,

国际上也普遍用这种方法

制取低碳烯烃(包括乙烯、丙烯和丁烯)。

低碳烯烃是一种重要的基础化工原料,

由低碳烯烃可以生产

塑料、橡胶、树脂、颜料等等。

但是遗憾总是难免的,

采用传统费托合成制备低碳烯烃时

存在两个明显的缺陷:

第一,这个过程需要大量的水。

第二,这个过程得到的产物众多。

就比如我们只想要字母A,

但是给了我们字母军团。

要知道,在许多产煤大省,

水资源也是很金贵的。

耗水量大,就意味着成本高。

同时,你吭哧吭哧合成了半天,

得到的产物中一大半是不想要的杂质,

这就意味着效率很低。

这一高一低,用煤做低碳烯烃的生意,

就显得不那么划算了。

那么,100年过去了,

化学家有没有发现更给力的催化方法呢?

(三)纳米限域催化:

指导更给力的催化方法

有!

在纳米限域的指导下,

发展更给力的催化方法。

首先,给你科普下什么是纳米。

纳米等于1米的十亿分之一。

我们常说的纳米尺度,

相当于百十来个原子的大小,

介于微观和宏观之间。

许多科学家发现,一种东西到了纳米尺度,就会展现出各种新奇的特性。

比如说黄金。平时是金黄金黄的,看起来很贵重。但你如果把金磨成纳米颗粒,它就会呈现出花花绿绿的颜色。

催化的情况也一样的。

大连化物所包信和团队发现,许多催化剂表面上看起来很普通,但如果把它们往纳米尺度一放,它们就立马变得不一样了。

该团队历时多年研究提出了

纳米限域催化概念

依此创制的催化剂和催化过程,

就能克服前面传统费托合成中的两个缺陷。

应用纳米限域催化概念,

不仅可以让煤制燃油、煤制烯烃的过程

基本少耗水,

还能够大大减少副产物含量,

大幅提高产品的产量。

而且,每次应该多产低碳烯烃

还是汽油、芳烃啥的

都可以自己控制。

那么,

这种“神操作”到底是怎么做到的呢?

(四)纳米限域催化:

纳米界面与纳米孔道限域的联手

我们还以费托反应为例,来说道说道,传统金属催化剂会让一氧化碳中的氧跟氢气发生反应,产生大量不需要的水。

O* + H2 → H2O

这个过程很好理解。氧是一种非常花心的元素,见一个爱一个,见两个爱一双。你不让它跟氢气反应,那就是灭绝它的人性。

但奇怪的是,在纳米尺度上,

有的催化剂就真的会灭绝氧的“氧”性。

具体来说,在一种由锌铬氧化物

组成的催化剂(ZnCrOx)

纳米尺度界面的操办下,

氧仿佛变了个人似的,

对氢气不感兴趣。

于是,氧乖乖地把氢气留给了碳,

让它们有机会结合在一起,

变成烯烃分子的前身(CH2)。

这样一来,整个反应

既不产生水,也不消耗水。

由于这个催化反应是在

催化剂纳米尺度的表面进行的,

所以,它叫作纳米界面效应。

说到这儿,事情还没有完。在传统费托反应中,烃分子的前身(CH2-)会随机跟它周围的各种分子组合,因此产物众多。

这个过程完全是随机发生的,我们难以控制。这就是为什么传统费托反应在把煤变油或煤变低碳烯烃的过程中,会产生大量杂质。

但是,如果往这个反应中加入一种叫做分子筛的物质,天然的分子筛叫“沸石”,情况就完全不同了。

“沸石”有点儿像蜂窝。它的原子相互连接时,会形成许多纳米尺度的孔道。

当烃分子的前身(CH2-)进入这些孔道之后,它们就不再随机组合了,而是会有序地组装在一起,根据孔道大小和酸性质的不同,形成低碳烯烃分子(C2-C4烯烃分子),或者汽油等其他我们想要的有机分子。

这样一来,我们副产物的含量

就会大幅减少,

煤制低碳烯烃的产量也就

有望可以大幅提高了。

当然,这个过程必须在

分子筛孔道中发生。

如果离开纳米孔道,

反应产生的副产物还是会大幅增加。

于是,这叫作纳米孔道限域效应。

把纳米孔道限域效应和纳米界面效应

汇总在一起,就是大连化学物理所

包信和团队创造性地提出的新概念,

也就是咱们介绍的纳米限域催化。

(五)纳米限域催化的意义重大

敲黑板总结一下,纳米限域催化,就是催化反应在纳米尺度展现的、独特的特性。它不用改变催化剂成分,而仅仅改变化学反应的限域环境,就能大幅提高化学反应的活性,提升化学反应的选择性。

通常,一种催化剂有什么特性,

是天生的,是难以改变的。

有了它,化学家期待自己

能够对催化体系进行

“量体裁衣”个性化设计。

如果催化体系都能个性化设计了,

在化学工程领域,

就会有数不清的机会在等着我们哦。

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