特稿丨解锁“纳米王子”新功能

科学

2023-04-28 04:04

◎ 科技日报记者符晓波

富勒烯，一种拥有完美对称结构的分子，因其在纳米尺度范围内具有特殊稳定性，被誉为“纳米王子”。

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。

图片来源：视觉中国

一场“偶遇”带来科学惊喜

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，就获得完美数据。

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路合成得到，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。

厦门大学供图

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，发明的多段燃烧合成法实现了多种富勒烯及其衍生物的大规模制备。

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可重复的考验。

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。

掌握了铜与富勒烯之间的可逆电子转移规律，2020年，博士生黄乐乐终于完美复刻了当年郑建伟的实验。

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。

谢素原、袁友珠、郑建伟在实验室（从左到右）。厦门大学供图

产学研融合加快技术落地

“经反复实验，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”，实现了在近常压和低于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，又投入200多万元开辟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有力产业支持。

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。

来源：科技日报

编辑：张琦琪

审核：张爽

终审：王郁

微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。

来源: qq

点击查看作者最近其他文章