Nature 专访清华大学化工系工业催化中心：《催化化学工业的发展》

清华大学化工系工业催化中心唐军旺院士携颜彬航副教授接受著名期刊Nature Chemical Engineering 专访------《催化化学工业的发展》

https://doi.org/10.1038/s44286-024-00055-z

Nature Chemical Engineering, 2024, 1, 270-272

Mo Qiao博士

在访谈中，唐军旺院士和颜彬航副教授首先重点介绍了工业催化中心定位，以及其研发和社会责任，进一步分析和建议了现代工业催化的发展方向和核心领域。以下是部分访谈内容。

Q

在更广泛的范围内，您认为现代工业催化的焦点在哪里？

（唐）：全球可持续发展是现代社会的长期目标，因为大多数化学品都是通过至少一个催化过程生产的，因此社会的可持续发展很大程度上依赖于催化科学的新时代。实现这个目标需要智能和高效的化工过程，其效率主要由催化剂的性能（如效能、寿命和组成）决定，辅以人工智能来提升。因此，在我看来，现代工业催化包括三个关键研究领域：可再生能源驱动的化学过程（包括光催化、电催化或它们与热催化的多能耦合），人工智能控制的制造和闭环循环的化工过程。我相信，这些领域每一个都涉及三个因素：将人工智能方法论整合到反应过程中、合理设计高效和环保的催化剂、以及使用尖端技术（如operando光谱学、高分辨率时间成像和理论建模）深入理解反应机制。

因此，在我看来，现代工业催化研究应该关注以下几个方面：（1）从化石燃料驱动的过程转向可再生能源驱动的过程，以实现更可持续和低碳的化学生产；（2）强调使用原位实时在线、空间和时间分辨率的表征方法来探索活性位点的性质，并深入理解内在的催化反应机制；（3）实施闭环循环过程，创建物料、能源和信息的循环流动，实现生产和消耗之间的闭环回路，以实现最大化原材料的利用和最小化环境影响。

我认为，可再生能源驱动的过程很可能成为现代化学工业的中心。这与传统的化石燃料驱动的热催化过程不同，后者在大多数情况下需要严苛的反应条件，如高温和/或高压，并且是能源密集和碳密集的过程，以及存在反应位点的团聚和结焦等问题。这种情况已经激发了对光催化和电催化的探索，这些过程可以利用可再生能源而不是热声子能量在较温和的条件下激活分子。与传统的热催化相比，光子激发的光催化剂产生高活性的电荷载体，可以轻松激活任何分子，大大降低了化学过程所需的表观活化能。同样，电催化也具有降低的表观活化能，并可以最小化活性位点的团聚和结焦。然而，光催化和电催化都有一些潜在的缺点，如反应物转化率有限和易受限于传质过程等。

例如，在合成燃料（如通过N2还原产生的氨或通过CO2加氢产生的甲醇）的过程中，反应物在优选的水性电解质中的低溶解度可能对电催化的传质过程构成障碍。同样，光在固体中的浅穿透深度仍然是光催化的瓶颈。为了解决这些挑战，反应器设计和过程工程可以发挥关键作用。例如，对于电催化使用流动反应器（包括微流控反应器）和对于光催化使用流化床反应器可以增强传质效率。除此之外，将光催化与经典的热催化结合起来可以利用两者的优点，如热催化的高转化率，以及光催化的低碳排放、高选择性和长寿命。这种过程工程方法已经在我们的光子-声子耦合驱动的甲烷催化转化中得到了部分证明。

Q

您是如何将新技术融入到催化研究中的？

（唐和颜）：在过去的几十年里，催化过程中有一系列新的发现。然而，催化的基本步骤，特别是在高压和高温条件下，仍然存在挑战和不确定性。原位表征技术，包括空间和时间分辨率光谱学，以及时间成像方法，有望阐明催化活性位点的结构演变，内在反应机制，以及在实际条件下结构和活性之间的相关性。此外，利用高性能计算资源进行大规模量子化学计算和分子动力学模拟，可以深入理解催化反应机制。这些工具有助于催化剂设计优化，提高过程效率，甚至为发现新应用铺平道路。

此外，虽然传统试错方法在催化剂开发中一直占据中心地位，但高通量（机器人）技术、人工智能和机器学习工具的出现已经开始革新这个过程。这些技术可以在相对短的时间内从大量数据库中有效地提取有价值的见解，将传统的方法转变为一个更智能的路径，应用于发现高效催化剂和设计能源效率高、环境影响最小的化工过程。有效地将这些新兴技术整合到催化剂开发和过程工程设计中，以提高效率和可持续性，有望革新催化科学，推动工业过程的创新、研究效率和可持续性。

此外，数字孪生技术已经成为过程工程中一种变革性的大规模方法。通过创建物理系统的虚拟副本，数字孪生可以加速工程过程，最小化催化过程的潜在安全风险，最大化过程效率。总的来说，这些尖端工具和方法的整合有望革新催化工业，最小化环境影响。

唐军旺 |Tang, (John) Junwang

教 授

欧洲科学院院士（the Academy of Europe）,英国科学院-利弗休姆资深研究员（Royal Society-Leverhulme Trust Senior Research Fellow）, 比利时欧洲科学院院士 （European Academy of Sciences）， 英国皇家化学会会士（Fellow) 和国际材料和矿物协会会士 （Fellow of IMMM）。目前是清华大学化工系工业催化中心创建主任，清华大学首任碳中和讲席教授， 也兼任全英华人正教授协会副主席。2005-2209在帝国理工化学系，2009 年- 2022 年一直在英国伦敦大学学院开展工作，曾担任教授、太阳能和先进材料研究组（Solar Energy & Advanced Materials Research Group）组长、UCL 材料中心（UCL Materials Hub）主任等。Tang教授在多能耦合（光催化和热催化）活化小分子（H2O， N2、CH4， CO2）来制备低碳能源（H2和NH3）以及化学品（C2+烯烃和醇），以及微波催化（塑料固废的催化转化）具有多年的研究经验。同时致力于用时间分辨光谱研究光和热耦合催化的机理。迄今已在国际杂志Nature Energy, Nature Catalysis, Nature Materials, Nature Reviews Materials, Chemical Reviews, Nature Communications, JACS, Angew. Chemie等能源和化学领域期刊共发表了>250篇文章，引用~30，000次。科睿唯安多年高被引科学家。同时是5个国际杂志的主编/编辑或者副主编，包括Applied Catalysis B （IF：22）, Journal of Advanced Chemical Engineering, Chin J. Catal., Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering 以及Carbon Future。获得多个国际大奖，包括：国际化学工程协会2022油气转化大奖（IChemE Oil and Gas Global Awards），2021 国际化工协会Andrew奖章（ IChemE Andrew Medal， 全球每3年评选一位在多相催化方面的获奖者），2021 皇家化学协会RSC Corday-Morgan Prize （每年全球评选3名，迄今唯一的亚裔获得者）, 2021 皇家科学院Royal Society-Leverhulme Trust Senior Research Fellow（全英国每年7名）; 2021 IChemE Innovative Product Award 等。

颜彬航

副教授

现任清华大学化学工程系化学工程副教授。于2013年获得清华大学化学工程博士学位，并于2017年加入该系担任助理教授。主要研究兴趣集中在开发先进的原位表征技术，以研究催化剂的电子特性，识别催化活性位点，了解内在反应机理，并探索钙钛矿/氮化物/碳化物作为二氧化碳还原、氢利用和氮活化的载体或催化剂。发表了120多篇同行评审的期刊论文，并拥有20多项授权发明专利。

欧世盛科技助力科技创新、技术改造和设备更新，已深耕连续流微反应多年，核心部件国产化，可提供从最开始的物料输入模块（泵），温度压力自动控制模块，再到过程中的反应控制调节、液位控制和在线分析模块，以及分离和纯化模块，连续反应装置模块等适应不同应用场景的解决方案。

以“高通量全自动催化剂评价系统“为例，为催化剂开发向高活性、高选择性、长寿命方向发展，带来了新的思维模式和技术路径。

点击以下视频了解更多

欧世盛（北京）科技有限公司是以微反应连续流化学合成技术及仪器设备，在线检测、传感器及应用型自动化装置为主的平台型技术公司。

公司拥有多学科的研发团队和应用研究团队，总部位于北京，应用研发部门FLOW R&D实验室与清华大学等多所科研团队合作，为不同行业用户提供强大的技术支持。

组建完整的Flow Chemistry Lab

提供自动化及智能化多步合成解决方案

提供高端设备定制开发

工艺路线开发、放大工艺及设备开发

连续流微反应设备精密制造

欧世盛除了提供流动化学反应系统产品外，还提供更多服务：科研装备设计、研发外包、工艺优化、放大研究、设备工艺研究、精密制造、连续流工艺培训等。专注于过程的可扩展性和研究成果从实验室规模转移到中试工厂规模，提供多种用途的连续自动合成系统和嵌入式模块系统。

客户和项目合作伙伴主要来自制药、CXO、精细化工、催化剂、石油石化、新能源、半导体、国防军工、安全等领域。

流动化学微反应欧世盛整体解决方案

全自动微反应连续加氢

解决方案 设备构成 反应类型 加料系统

硝基还原、氢化去硫反应

气路控制

单元

烯烃和炔烃的还原反应

温度控制

单元

N-、O-去苄基化反应

反应单元

脱卤反应

压力控制

单元

羰基化反应

氢气气源

单元

腈类化合物还原反应

样品采集

单元

吡啶芳香环衍生物还原反应

流动化学

管理系统

H-Flow管理软件

亚胺还原反应

点击设备名称，了解详情

微反应器能解决哪些问题

液液均相反应器

反应类型

硝化反应、磺化反应、锂化反应、格式反应、取代反应、高温关环反应……

液液非均相反应器

反应类型

中和反应、氧化反应……

气液反应器

反应类型

氧化反应（O2）、钯催化的Heck 羰基化反应（CO）CO2气体参与的反应……

光化学反应器

反应类型

芳环或杂环的三氟甲基化反应、烯烃加成反应、自由基反应……

拓展功能

设 备 方 案

气液分离单元

在线检测单元

点击设备名称，了解详情

中国首家

FLOWLAB智造商

网址 | www.osskj.com

电话 | 010—82439598

400-178-1078