催化与表界面化学学科前沿与发展战略研讨会专家组
摘要: 催化与表界面化学是国家自然科学基金资助下的关键基础性学科之一, 在基础研究和学科发展中发挥着重要作用. 为进一步落实习近平关于科技创新的重要思想, 国家自然科学基金委员会化学部于2018年10月28-30日在大连举行了“催化与表界面化学学科前沿与发展战略研讨会”. 会议围绕学科前沿、发展现状、卡脖子技术问题后的关键基础科学问题及其应对之策, 人才培养、学科融合以及未来鼓励发展的前沿导向研究课题等主题展开深入系统研讨, 并对学科发展和未来重点发展方向等提出了意见和建议.
关键词: 催化与表界面化学; 现状; 前沿; 研究方向; 发展战略
催化与表界面化学是能量与物质转化的科学基础, 是解决能源、环境、资源、信息以及生命健康等国家重大需求的关键基础性学科之一, 在国民经济发展中发挥着重要作用. 近年来我国在催化与表界面科学领域的基础研究取得了长足的发展, 产生了大量卓有成效的研究成果, 部分领域研究水平已处于国际领先地位, 但是在应对新时期国家在能源、环境与生命科学等重大领域的需求方面还有待进一步提升, 在关键科学问题凝练、原创思想的产生, 以及新方法、新概念和新理论的提出, 本质问题的认识理解以及人才创新能力培养等方面还存在诸多不足, 甚至成为学科发展中的关键和制约性因素. 为此, 国家自然科学基金委员会化学部于2018年10月28~30日在大连国际金融会议中心举行了“催化与表界面化学学科前沿与发展战略研讨会”. 来自催化与表界面科学领域的专家近60余人围绕学科前沿、发展现状、卡脖子问题及其应对策略、学科融合、未来发展的研究领域等以大会报告、主题报告及自由发言的方式展开了深入系统研讨, 对学科发展和未来重点发展方向等提出了许多宝贵意见和建议.
1 学科发展趋势, 我国研究现状以及存在的问题
“催化与表界面化学”旨在研究表界面的结构与性质, 揭示物质在表界面发生的物理与化学转化过程的基本规律, 它是典型的跨学科综合交叉科学, 涉及化学、物理、生物、数学、材料、工程等多个领域, 位于基础研究和应用研究的交叉点, 与绿色化学和可持续发展紧密相连. “催化与表界面化学”涉及催化、电化学、光(电)催化以及胶体与界面化学几个方面, 下面就从这几个方面来阐述学科发展趋势以及我国的研究现状和存在的问题.
1.1 催化是化学工业中最重要的科学技术
催化直接或间接贡献了世界GDP的20%~30%, 最大宗的50种化工产品中有30种的生产需要催化, 而在所有化工产品中该比例是85%. 当前国际上催化科学呈现出如下发展趋势[1]:
(1) 尽管可再生原料和可再生能源将替代化石原料和化石能源, 但在今后一个时期内化石能源的研究仍有必要性.
(2) 尽管多相催化仍将在工业催化中占主要地位, 但多相催化、均相催化和生物催化的融合将成为发展趋势.
(3) 储量丰富而成本低廉的材料将替代稀缺而昂贵的贵金属. 例如, 在过渡金属中, 主要使用元素周期表中的第一行过渡金属.
(4) 紧密结合理论模拟和原位反应过程研究, 深入理解反应机理.
(5) 在微米、纳米乃至原子尺度精准制备催化剂, 调控其催化性能.
(6) 在设计催化剂及其反应过程时, 需要同时考虑化工过程的反应、分离和浓缩等步骤的集成.
(7) 二氧化碳将成为重要的碳资源.
(8) 未来的研究将是知识驱动、大数据集成和人工智能型研究.
我国催化科学的发展在解决国家需求方面已做出了大量的努力, 对国民经济的发展作出了重要贡献, 基础研究与国际水平相当, 但现行工业生产技术存在很多问题, 表现在高端材料的生产、零排放和低能耗等方面. 同时, 在研究范式上存在一些共性的问题: 一方面, 我国科研人员在基础研究方面缺乏追根溯源和原创性精神, 跟风性研究居多, 研究目标性、导向性、新颖性和理论指导性等不足, 缺少具有自主知识产权的原创催化材料、反应路线, 特别缺少新催化概念; 另一方面, 在研究基础中, 对多尺度界面电子定向转移等本质问题的认识和理解有限, 一些基本概念和有效研究方法仍然缺失; 第三, 从研究系统上来讲, 催化与表界面化学的发展客观上也面临着从宏观周期性体系到微纳尺度系统的转变, 面临简单模型表界面到多尺度、多组分复杂多相系统的转变, 面临静态刚体表界面到动态变化系统的转变, 面临光电外场条件下能量、电子对化学键的精准施加等难题. 具体体现在以下几个方面:
(1) 在催化解决能源和资源问题方面, 我国传统催化面临多项挑战, 其中四项问题尤为紧迫和突出: 其一, 液体燃料短缺, 需要我们在一碳化学的研究中投入持续强度的研究力量; 其二, 二氧化碳的利用和减排. 主要原因在于我国煤资源的大规模利用, 二氧化碳减排问题迫在眉睫; 其三, 生物质的催化转化与利用. 催化转化需要全面考虑生物质利用的全流程; 其四, 基于太阳能的人工光合成相关的催化过程(尤其暗反应酶催化的模拟和人工替代), 以二氧化碳为资源合成燃料和高端化学品.
(2) 在催化的基础研究方面, 目前我国传统催化领域对多相催化本质的认识和理解非常有限, 缺乏具有普适性、受催化领域科学家普遍认可的催化概念和理论. 其根本原因在于: 对于催化反应, 缺乏从原子、分子和电子层次对催化反应活性中心与反应分子进行微观认识; 对于高效催化材料的开发尚未上升至合成科学, 无法实现催化活性位的多尺度精准构筑, 对于与催化反应直接相关的酸分布与密度、强度控制, 缺陷控制等功能活性中心的调控缺乏有效的手段; 从对催化过程认识的手段来讲, 缺乏原创性研究手段, 没有与催化动态过程相匹配的原位、动态、成像方法, 极大限制了对催化本质的理解; 理论催化面临从解释实验现象到预测新反应过程的角色转变, 急需发展工况、模拟真实催化条件下的高效计算方法;
(3) 催化在工业应用方面, 我国的催化基础科学研究和工业催化反应需求存在巨大鸿沟, 缺乏针对具有重大工业需求和应用的化工产品的原创知识产权的催化合成路线开发, 以及高效、高稳定性的催化剂体系的构筑.
1.2 电化学是能量转化与物质转化的科学基础, 为能源、化工、冶金、材料、电子制造等重要产业提供了坚实的支撑
传统的电催化一直被认为是基于“固/液”界面的电催化, 但是面向新时代国家发展战略的需求, 电化学能源技术对能量转化效率和功率特性的要求不断提升, 各种新型电化学体系不断出现, 如以离子液体、熔融盐等超浓溶液电解质构成的电化学界面、纳米电极材料构成的纳米电化学界面、锂离子电池中的固/固态电解质电化学界面、燃料电池中的气/液/固三相电化学界面、高端电子制造(芯片、封装、集成)中的高纵宽比芯片电镀界面等新型电化学界面. 发展针对这些新型电化学界面的新颖表征和计算方法, 并深入探究涉及的基础科学新理论、新概念是当前电催化与表界面科学亟待解决的基本科学问题.
面向国家在可再生能源的开发和能源高效优化清洁利用方面的需求, 针对我国可再生清洁能源(水能、风能、太阳能、地热能等)地域分布及产出不均衡的问题, 电化学能量存储与物质转化有望提供有效的解决方案, 电催化是其中的关键反应过程. 我国学者在这方面的研究报道很多, 但是电催化剂的理性设计和表界面特性的基础研究不足, 外场环境对催化剂表界面电子态的影响和调控机制尚不明确, 拥有自主知识产权的新能源体系为数不多, 是电催化与表界面学科发展面临的主要挑战. 面向国家高端电子制造业方面的需求, 针对以芯片制造为代表的“卡脖子”技术问题, 电化学表界面科学涉及其中的核心技术, 即电化学非均匀、多模式、多级速度成核和生长控制. 然而, 我国缺乏有关电化学工艺中表界面电化学基础理论研究的支持, 数据积累依靠企业进行, 关键电子化学品的自主研发无法实现, 同时我国电化学沉积方面的研究队伍严重萎缩.
1.3 光电催化转化太阳能至化学能
光电催化转化太阳能至化学能是解决人类能源与环境危机的理想途径之一, 一旦突破将颠覆人类的能源结构, 成为生态文明建设和人类可持续发展的基础. 光(电)催化研究始于上世纪七十年代, 起初主要围绕一些氧化物和含氧酸盐等光催化剂开展环境净化和水分解制氢等方面光催化研究, 期间主要是日本和欧美等国科学家在主导, 我国科学家在该研究领域参与不多. 进入本世纪以来, 国际上光(电)催化的研究呈现井喷式发展, 与材料、物理和生物等学科出现不断交叉融合的局面, 研究重心逐渐从环境净化转向能源转化; 光(电)催化转化的催化剂材料种类不断丰富, 由过去的紫外光响应拓展到可见光响应以及宽光谱捕光等; 光(电)催化研究在向自然光合作用学习基础上, 从结构上模拟自然发展逐步转变为从功能方面模拟自然, 其反应类型由水分解制氢拓展至二氧化碳还原制燃料、合成氨以及精细化学品的合成等; 反应体系也由过去的粉末体系拓展至光电体系、光伏-电催化耦合体系等; 研究模式从传统的简单材料设计合成发展至更精准的表界面结构调控, 从简单的实验现象发现不断推向特定功能的设计合成以及深层次的微观反应动力学与反应机制的理解认识, 从简单的模型考察拓展至复杂的时空分辨、原位光谱以及成像分析等. 当前光电催化转化太阳能的效率仍然偏低, 其主要瓶颈一方面在于该过程特别复杂, 激发态光生电荷的多尺度迁移分离机制认识不清, 催化剂表界面的反应动力学和机制认识有限, 缺乏多尺度的工作条件下的时空分辨技术和理论模拟; 另一方面, 在催化材料的功能设计和精准合成方面还很欠缺, 尤其是兼顾高效捕光与高效电荷分离的材料仍然缺乏, 需要进一步借助理论模拟和高通量的实验筛选优化.
我国科学家进入本世纪以来, 及时捕捉到光电催化在满足人类社会对可再生能源的重大需求方面的优势, 在过去近二十年的研究中取得了较好的积累, 在光催化中心分子模拟、光(电)催化分解水制氢器件构筑效率, 以及光电体系光生电荷分离的实验和理论实验认识等方面进入国际领先行列, 但具有我国自主知识产权的光催化能源转化材料仍然有限, 对光电催化体系的催化本质问题理解认识有限, 有效的研究方法仍然缺乏, 尤其是在原位谱学和成像分析、理论模拟等方面需要进一步加强. 此外, 我国目前的研究队伍大都集中在光催化分解水制氢半反应研究, 简单污染物分子的环境光催化降解等方面, 而真正可实现能源转化的全分解水制氢反应的工作甚少, 其主要原因在于全分解水制氢面临过程复杂、具有热力学和动力学多重挑战性难题, 导致催化体系构筑困难、催化效率不高, 很多科研人员停留在半反应研究阶段. 因此, 迫切需要加强化学、物理、材料和生物等多学科交叉融合.
1.4 胶体与界面化学
胶体与界面化学在过去20年里发展迅猛, 不再固守传统的研究方向, 而是转而为其他学科(包括化学催化、电催化、光催化)提供材料与理论基础. 随着催化从宏观往微纳尺度延伸, 胶体粒子逐步成为研究的中心目标; 由于比表面积特别突出, 胶体纳米粒子是研究表面科学的合理模型系统; 新型胶体与表面结构(如原子和分子簇、多亲表面、组装纳米结构等)不断涌现, 并逐步成为胶体与表面化学研究的主流方向. 国际上胶体与表面化学研究的总体趋势, 是从合成与组装化学往深层次物理化学机制发展, 包括量子理论、激发态行为、表面电子转移过程、纳米尺度光电磁融合机制等.
目前, 我国胶体与界面化学发展不平衡, 整体过于注重传统胶体与界面化学, 跟随性研究过多, 在新系统、新原理、新材料的突破方面与中国化学大国的位置不相匹配. 中国在胶体系统合成与组装方面有较好的积累, 但目前的队伍与领域的未来突破方向(原理性研究、新系统设计等)不匹配. 尤其是在先进谱学与大系统理论方面, 需要着重加以培养. 胶体与界面化学在这些方面的突破, 将促进化学、材料、生物、物理等学科的发展.
总之, 针对催化与表界面学科国际前沿与发展趋势以及我国发展现状, 与会专家建议有必要加强化学、物理、材料、生物等多学科间的交叉融合, 定期组织多学科的重大问题研讨, 打破学科壁垒, 在继承传统的基础上要创新研发模式, 加强实验与理论之间的交叉融合, 多向自然学习, 采用光、电、热催化以及互相协同的方式解决重大科学问题和技术难题; 加强具有我国自主知识产权的新催化材料设计合成与开发, 从多维度、多尺度的角度去理性分析催化与表界面学科中的科学本质和构效关系, 指导催化剂及胶体结构的理性设计, 重视胶体分散体系的基础理论发展和知识创新, 发展催化剂结构精准调控的制备方法, 发展催化反应绿色发展新途径, 强化“生物质和化石原料等资源化利用制备高附加值精细化学品”的发展理念; 发展与之适应的表界面催化新理论、新概念和新方法, 借助人工智能和大数据进行理性理论模拟和设计, 发展多尺度接近真实条件下的计算模拟方法; 急需发展原位、动态、工况条件(operando)下的研究手段和研究装置, 建立原位表征信号的精确指认和解析方法学, 从分子、原子的角度去理解洞悉界面的电子定向参与反应和物质能源交换过程等; 加强学科交叉融合, 加强企业与科研单位的深入合作, 增强关键研究方向中的人才队伍建设与布局.
2 鼓励未来发展的前沿导向研究课题方向
2.1 热催化
(1) 开展催化材料结构和活性位点的调控及其与周边环境(配位、外场)的协同作用研究, 研究活性位在化学反应、电子传递中所起的作用及其空间尺度上分配的问题, 深入理解催化活性中心的“动态”和微环境的本质;
(2) 深入理解活性位点原子与反应分子之间的相互作用, 对催化反应从宏观统计认识走向对基元步骤精确理解;
(3) 重点研究生物质转化、C1(CO, CO2,CH4等)分子活化、合成氨等重要基元过程, 研究C–C偶联、C–H和C–O键活化、O2活化、CO2、N≡N键活化等反应中的表界面科学与调控机制等;
(4) 在传统催化材料的研究中, 强化催化材料酸强度和位置以及缺陷的可控合成和分布, 发展从原子到系统的催化反应活性中心的组装与构建;
(5) 建立工业催化反应需求与基础理论催化研究的融合对接机制, 攻克传统催化过程到工业应用的卡脖子问题, 针对具有重大工业需求和应用的化工产品设计新催化反应途径, 发展原创、高效和稳定的催化剂及其合成方法, 构筑高效、稳定的催化剂体系.
2.2 电化学
(1) 构建原子结构明确的模型电催化体系(单晶、二维晶体、纳米晶体等), 利用电化学方法和各种谱学技术表征(拉曼、红外、SFG, EC-TEM, EC-STM/AFM, 阻抗等)并结合表界面电化学理论计算和数据平台建立电催化构效关系;
(2) 针对不断涌现的新型电化学体系, 发展多尺度真实工况条件下的表界面电化学原位先进表征技术和计算方法, 设计新型电化学界面(固/固、固/聚合物、固/液/气三相、SEI、非水电解质(如离子液体)界面等), 并对其结构和功能进行研究;
(3) 深入研究新型燃料电池(非贵金属催化剂、碱性离子交换膜等)、锂离子/金属电池(锂金属表界面过程, 锂-硫、锂-空电池催化剂等)等电催化能量转化过程中的表界面科学, 理性设计和开发电催化能量转化过程中必需的新型电催化材料, 发展具有自主知识产权的电化学能源体系;
(4) 发挥电催化能量转化的优势, 开展电催化碳循环(甲烷活化、CO2还原等)、氮循环(N2活化等)过程研究以及电、光、热协同的催化物质转化过程研究;
(5) 研究以芯片、集成电路和特种电容器为代表的高端电子制造中的电化学表界面过程, 理解微、纳尺度电化学沉积和腐蚀作用机制(电解质添加剂分子作用机制等), 发展纳米空间限域体系中的电化学表征方法与理论.
2.3 太阳能光(电)催化表界面
(1) 设计合成新型高效廉价的水氧化、水还原催化剂(即: 光电体系中的助催化剂), 深入系统研究其表界面水氧化O–O键形成机制和表面反应动力学, 研究激发态原子、分子的结构及其化学反应;
(2) 设计合成高效廉价的仿酶催化剂, 构筑高效廉价的无机半导体与仿酶/生物酶杂化人工光合系统, 深入研究半导体与仿酶催化剂之间界面的电荷传输机制;
(3) 设计合成新型半导体催化剂, 特别是兼具宽光谱捕光和高效电荷分离的新材料开发, 并基于宽光谱捕光半导体催化剂的表界面调控研究光(电)催化分解水制氢、还原二氧化碳合成燃料、合成氨以及合成精细化学品等反应, 开展光催化反应机理、光催化反应多样性和选择性控制等研究;
(4) 开展针对表界面光生电荷化学物种和光生电荷时空分辨研究, 开展“工况条件”下、电解质溶液中表界面催化过程的时空分辨研究, 发展光催化反应机理和反应中间体的原位表征技术;
(5) 系统研究光电催化体系在激发态下热载流子分离、传输机制和演化过程规律, 发展光生电荷迁移分离动力学理论模拟方法;
(6) 开展光催化与电催化以及热催化之间的交叉融合研究, 系统研究光电耦合体系中表界面电荷传输机制及其表面催化转化过程; 开展高效廉价太阳能转化的光(电)催化体系构筑以及规模化示范研究等.
2.4 胶体及其表界面
(1) 重视胶体与界面化学研究方法、计算方法和理论创新, 理清胶体结构与相界面的物理本质, 重视分子间作用力及其协同作用的实验测量, 揭示胶体与界面的动态结构及其与周围环境的相互作用;
(2) 发展新型两亲分子体系, 开展以两亲分子和类两亲分子为主导的界面性质和现象的研究; 探索各种界面现象的机制, 以探索活性分子、离子在界面的作用机理和规律为目标, 系统发展有特定功能和规律的表界面化学体系;
(3) 系统研究能源与生命等复杂体系中的功能组装和边缘复合表面科学, 深入系统研究外场参与调控的催组装, 精确控制组装过程与结构, 发展具有表面催化特征的组装体, 发展原创性的组装新思路、新理论、新方法、新技术和新体系, 探索组装原理和理论预言, 构建有明确目标导向的功能化组装体;
(4) 探索和理解生物体系的多级结构和界面反应, 构筑多层次、多组分表界面结构, 实现从分子到超分子等结构调控, 跨越到功能(仿生与光电磁功能)调控的转变, 拓展仿生界面催化化学研究, 以及热、电、光催化等催化界面体系设计;
(5) 探索量子限域催化, 研究限域催化体系中的物质定向及有序输运, 并拓展仿生限域生物合成, 量子限域组装合成, 限域酶催化合成, 限域ATP合成反应;
2.5 学科面临的一些共性急需发展方向
(1) 发展基于先进光源的原位表征新技术和装置, 特别是发展针对表界面活性位、反应物种、表面动态结构的灵活实效的谱学分辨表征技术, 发展高空间分辨表界面表征技术, 发展针对催化与表界面科学的动态本质和化学反应动力学尺度的时间分辨方法, 发展同时获得反应活性、结构信息的operando方法;
(2) 开展多尺度、实时、接近真实条件的催化与表界面理论模拟, 发展长时间尺度的大体系计算方法(第一性原理、多尺度、机器学习势函数、外场调控、动态过程、反应微观动力学方法等), 理论研究C–H, N–H, O–H等键断裂与形成中共性的质子耦合电子转移反应, 在已有实验数据和理论计算结果的基础上建立数据库, 并发展对相关数据进行统计分析的机器学习方法, 进而对新型高活性催化剂进行理性设计.
文献链接：
http://www.cjcatal.org/fileup/HTML/2019s101.htm