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2010年快乐双彩走势图 九年追夢
九年追夢
www.dicp.ac.cn    發布時間:2009-06-04 16:37    欄目類別:走近專家
---就納米催化最新成果在《自然》雜志發表訪談申文杰研究員

      在這春風和煦的四月天,申文杰研究團隊關于納米催化的最新成果于4月9日北京時間晚8點左右發表在《自然》雜志(Nature, 458 (2009) 746-749)。
      4月10日一早,申文杰研究員同往日一樣,早早來到催化基礎國家重點實驗室307室——他的辦公室,有條不紊地安排好一天的工作,然后拉開辦公室的門邁兩步走進對門305室——他帶領的催化反應化學研究組(501組)實驗室,開始了一天復雜、耗能,但“很有趣”(申文杰研究員說)的研究工作,像蜜蜂一樣,沉浸到科研的蜜罐里。
      窗外,春風習習,催化基礎國家重點實驗室門前的蒼松更濃郁,迎春抖擻著最盎然的黃,丁香已吐新綠。整個化物所園區,靜悄悄的,遠山的坡上開得正茂的桃花、梨花,一片片像云霞,高潔的白玉蘭托舉著層層壯碩的花朵向天空伸展,在一幢幢實驗樓前樓后隨處可見。
      此時的《自然》雜志(Nature, 458 (2009) 746-749)正在發行,關于納米催化的最新研究成果署著申文杰等的名字,帶著中國科學院大連化學物理研究所春的訊息走向世界。

一個猜想

      2000年,申老師負笈東瀛已經兩年,在日本通商經濟產業省工業技術研究院關西研究中心做產業技術研究員,工作在國際著名的納米金催化研究學者春田正毅教授的研究組。
      春田教授于1993年提出了納米金催化理論。該理論表明:盡管金是惰性的,但大小做到3個納米時,其催化活性很高;制備出的這個納米金催化劑的形貌是球形的粒子。這一理論自提出后一直引領國際催化界主流。
      申老師在學習納米金催化劑的催化性質和制備方式的過程中,接觸到了這個領域的國際最前沿。隨著理論知識的逐漸淵廣、實驗技能的不斷嫻熟,科學創新的種子開始在深厚的沃土里萌動,他已不滿足于重復制備3個納米的球形金催化劑,不愿意僅僅跟著國際熱點做些“修補”工作。
      日本催化界,大到催化學會舉辦會議,小到春田教授的研究組召開組會,雖以發表報告為先,卻以討論和提問為主。只要有機會,申老師就參加這些大大小小的報告會,他的思想在觀點的交流、學科的交叉、概念的碰撞中不斷產生創新的火花。
      2000年初,一個大膽的假設在他腦海閃現:“如果改變催化劑納米粒子的形貌,使它不是球形的,會怎樣呢?”這個未曾驗證的科學猜想雖是一個朦朧的預感,卻不是南柯一夢。因為申老師通過有針對性地聽報告,以及第一時間追蹤、學習、綜合相關領域文獻掌握到:二十世紀末,世界材料科學迅猛發展,一些材料科學家已經制備出了金、鉑、鈀、銠、釕等貴金屬的非球形納米粒子,從一維的平面形貌到三維的立體結構都做出來了,比如納米線、納米管、納米薄膜等;這些被制備出的非球形粒子有一個共同的特點——尺寸都大于100個納米,而催化劑的粒子要求小于10個納米;還未見非球形納米粒子應用到催化領域的報道。
      這個富有挑戰性的猜想令他著迷,如果不探究就寢食不安,他決定制備小于10個納米的非球形粒子催化劑。

多年驗證

      2001年4月,35歲的申老師獲中國科學院“百人計劃”支持回國。他來到化物所,擔任501組組長,開始帶領自己的研究團隊,致力于制備形貌非球形、小于10個納米的金屬氧化物催化劑。
      搞催化的人都知道,金屬氧化物比金屬更容易失去催化活性和穩定性,也就更難控制,所以,用“難上加難”來形容申老師致力于的事業并不為過——它需要制備者更加精確地調控金屬氧化物納米粒子的尺寸和形貌。
      2003年,申老師的博士生李勇根據粒子形貌的傳承性,通過先設計溶液,調節制備出了尺寸小于10個納米的纖維氧化鎳,然后對其進行高溫鍛燒,結果表明,溫度達到近900攝氏度時,這個纖維氧化鎳粒子的形貌仍未發生改變,催化活性依然很高。這個實驗做得很巧妙,溶液設計很成功(申老師稱它為“四兩撥千金”法),并揭示:粒子形貌的變化引起了暴露晶面的變化,進一步決定了活性位的分布和含量。這一結果發表在當年國際最專業的催化雜志上。
      2006年底,申老師的博士生解曉偉制備出了四氧化三鈷納米棒。四氧化三鈷是一氧化碳氧化的催化劑,但納米棒沒有人制備出來過。通常四氧化三鈷納米粒子在100攝氏度的條件下起催化作用,可這個納米棒在零下77攝氏度(催化極限低溫)時,仍可以使一氧化碳連續6個小時百分之百地氧化。這說明它的活性非常之高,而且實驗表明,它的穩定性極其之好。
      緊接著,團隊成員就每天大量重復兩個事情。一是四氧化三鈷納米棒催化性能的重復測試,同一個催化劑24小時或48小時不間斷地反復測;二是四氧化三鈷納米棒催化劑的重復制備。經過前后六七次地反復核實,證明實驗是可重復的。
     “這一切,發生在2006年底305實驗室。” 說到這兒,申老師指了指對門,“的確沒想到它會如此地好。對我來說,是長期的猜想得到了驗證,感覺很幸運。”  

投稿《自然》

      但為什么四氧化三鈷納米粒子的催化性能不好,而納米棒的催化性能就如此之好呢?作為從事基礎研究的科學家,申老師要繼續探究這兩個問題。
      于是,申老師組織帶領團隊成員帶著以上兩個問題,查閱學習文獻,一查四氧化三鈷的有關文獻,包括其機理、分子反應方面的;二查材料學科文獻,對納米粒子、納米棒結構進行分析。兩種文獻加到一起,大約有近百篇文章,甚至上個世紀70年代的文獻都被他們翻找了出來。經過刻苦鉆研,最終把兩種文獻結合起來探討原因,得出結論:由于四氧化三鈷納米粒子表面暴露的活性位是有限的,所以反應很快就失活;而納米棒暴露的晶面是規整的,所以活性高,更為巧合的是,四氧化三鈷納米棒的表面110晶面占40%,而這個110晶面恰恰含有四氧化三鈷催化劑活性中心“三價鈷”,所以四氧化三鈷納米棒的活性才如此之高,穩定性如此之好。
      接著,申老師從分子水平上搞清楚了四氧化三鈷納米棒催化反應機理,用理論計算對其活性位的結構進行了定量分析,并與金屬所材料科學家合作,揭示了四氧化三鈷納米棒110晶面的配位特性。
      2007年初,日本春田教授認為:根據他的判斷,這個成果是目前國際上最好的了,能發到最好的雜志上,建議投稿《自然》。
      隨后,申老師與春田教授按照《自然》的英文范式撰稿,用了近一年的時間,前后改了11稿,一個不變的原則是把文章核心的東西用定義一樣精煉的語言描述出來。改來改去,整篇稿件從最初成文的五六千個單詞刪減到兩千多個,最終的核心句凝煉為:形貌控制是納米催化中的一個主要因素。
     “2007年12月7日,投稿給《自然》。”申老師脫口說出這個日期。

《自然》接受

      搞科研的人基本都知道,投稿《自然》命中率為7-8%;《自然》對投稿回復得快,因為“拒”得快。兩個星期后,申老師收到編輯通知,說稿件已送審給兩位專家了。一個月后,編輯轉述兩位審稿人的意見:一位認為這項成果是目前最好的,建議再做一些實驗化學反應動力學的證明;另一位認為這項成果是新的發現,但能不能拓展到實際應用上去?編輯本人意見:很有可能發表,你去做。
      實驗化學反應動力學的證明很快就做出來了,證明四氧化三鈷納米棒的活性就是高,其反應速率是四氧化三鈷納米粒子的10倍以上。
      而難就難在應用。申老師選擇用這個催化劑來解決汽車尾氣凈化問題。一氧化碳是汽車尾氣排放的主要污染物之一,催化氧化一氧化碳是目前消除它的有效方法。在傳統催化劑體系中,如Hopcalite催化劑(錳和銅的氧化物的混合物),雖然能夠在低溫下有效消除一氧化碳,但是在常溫下活性不高,而且在微量水汽存在下快速失活。貴金屬催化劑在微量水汽存在的條件下雖然可以有效催化氧化一氧化碳,但是其使用溫度需要在100攝氏度以上。近來研究發現,過渡金屬氧化物負載的金納米粒子在低溫和有水存在的情況下,都具有優良的催化活性和穩定性。然而,如何實現在低溫和有水汽存在的條件下用非貴金屬催化劑使一氧化碳高效氧化,一直是多相催化研究中的挑戰性課題。
      申文杰研究團隊日夜兼程,用三個月的時間,挑戰了這一課題,通過精確調控,成功制備出了用于凈化汽車尾氣中一氧化碳的四氧化三鈷納米棒。這類納米棒在接近汽車發動機冷啟動的條件下表現出非常好的一氧化碳氧化性能和結構穩定性。這種通過形貌控制優先暴露活性晶面的方法還可以適用于其他金屬氧化物體系,這一研究成果對開發新一代高活性的氧化催化劑具有重要的借鑒價值。
      三個月后,申老師又投稿,又被送審,這次是三個專家來審稿。兩個月后,編輯回復:三個專家同時同意發表,學術上的問題已經不大了,只是提了一些技術性的小問題。申老師又對文章進行了完善,比如圖表的清晰度再調高、實驗數據的再核對等。
      2009年1月16日,《自然》發來通知:原則上接受發表。
      2009年2月17日,《自然》正式通知:接受發表。

     “我喜歡科學,感覺做科學很幸福。”這是申老師談九年追夢之旅的心聲。他說:“催化非常美,研究催化是一種享受。”
     “在2000至2003年之間,您制備非球型納米粒子的實驗幾乎都是失敗的,但您沒有放棄,是為什么?”筆者問。
      申老師笑了,他回答:“科學實驗80-90%都是失敗的,重要的是要自信、要有勇氣、要有毅力、要鍥而不舍、要在失敗傷口的愈合處生長出新的思想來。我有這個猜想的時候,并沒期望它會成功,更沒定目標要在哪個雜志上發表。我想如果是那樣我不會感到幸福,我就是對催化有興趣。”(趙艷榮)

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