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解锁“纳米王子”新功能——一项煤制乙二醇重大成果背后的故事

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。

原文链接:https://www.axuezy.com/4232.html,转载请注明出处~~~

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