上海
“我认为催化是所有科学中最为迷人的一部分，从原理上说，一个催化剂分子可以反复参与反应，促使成千上万个产物分子的生成，这正是催化的魔法所在。”
10月12日，2021年诺贝尔化学奖得主、德国马克斯·普朗克煤炭研究所主任本亚明·利斯特做客第十六期“浦江科学大师讲坛”，以“催化美丽世界：给下一代的三个信息”为题，与上海高校及中学师生交流。此次复旦之行，他把两道仍在求解的前沿问题带到上海——寻找像天然酶一样精准、适用范围更广的催化剂；借助光和催化剂，尝试把二氧化碳直接转化为氧气和石墨。
催化，给化学反应找到一条“近路”
从汽车尾气净化、化肥生产，到燃料、塑料和药物制造，催化早已进入现代生活。它能让原本缓慢或难以进行的反应更高效地完成，催化剂本身也不会被持续消耗，少量催化剂就可能促成大量物质转化。
长期以来，要精准合成结构互为镜像、性质却可能不同的手性分子，化学家主要依靠金属催化剂或酶。1997年，利斯特研究一种酶的催化机制时发现，它的活性位置没有金属只有一个氨基和一个酸性基团，这让他开始思考，更简单的有机小分子能否完成同样的工作。
利斯特随后找到了脯氨酸。这种人体能够合成、在植物中普遍存在的氨基酸，既能推动反应，也能引导反应优先生成所需的手性分子。由此发展出的“不对称有机催化”，拓展了化学家设计催化反应的路径。2021年，利斯特与美国科学家戴维·麦克米伦因这一贡献共同获得诺贝尔化学奖。
从一抹香气，到地球的碳循环
获得诺贝尔奖后，利斯特继续寻找适用范围更广的催化剂。他希望人造催化剂能够像天然酶一样，在狭小空间里“抓住”分子，控制它们以特定方式反应。其团队研究的限域催化剂，正是在分子内部搭建这样的反应空间。
这类催化剂已经表现出较高效率。在一种羟醛缩合反应中，1公斤催化剂可生产388吨产物，还可用于探索烷烃裂解和香料分子合成。过去价格昂贵的龙涎香，未来有望借助这种方法，以更低成本、更清洁的方式合成具有相同香气特征的分子。不过利斯特坦言，人造催化剂的精准程度与天然酶相比，仍是“沧海一粟”。
他想解决的另一个问题更加“宏大”，关乎地球的碳循环。团队最初设想模仿光合作用，利用光能将水和二氧化碳转化为合成气，再由合成气制造燃料。但利斯特认为，即使以这种方式生产全球所需燃料，也不足以应对千兆吨规模的气候变化问题。
由此，他们提出把二氧化碳直接分解为氧气和石墨。计算显示，这一转化每摩尔需要94千卡能量，植物光合作用每摩尔则需要124千卡。能量比较说明这一设想存在实现的可能，但反应如何发生、怎样扩大到足以影响气候的规模，仍在探索中。利斯特称这是一个“简单、天真”的想法，但是“如果它能奏效，真的会改变世界。”
从地下室走向国际实验室
利斯特对化学的热爱始于少年时代。13岁时，中学尚未开设化学课，他和朋友就在地下室搭起实验室，还因制作火药意外失火。读博期间，他用3年时间合成结构复杂的维生素B12。回望这段经历，他说，如果没有对化学的热爱，自己很难坚持下来。
在他看来，科研既要敢于实践看似疯狂的想法，也要懂得适时调整。如果一个方向努力两年仍进展不大，就应同导师讨论是否更换路径。追寻热爱、尝试不同、目标远大，构成了他希望传递给年轻人的三个信息。
利斯特还强调，前沿科学无法只靠一个国家完成，需要跨国协作。他的团队目前有5名中国成员，他欣赏中国科研人员的乐观和刻苦。获得诺奖后，他收到数千封邀请信，最终接受复旦邀请，一个原因是他对中国学生的期待。他说，“也许今天听讲座的观众中，未来会有人加入我的实验室。”
原标题：《让二氧化碳变石墨？诺奖得主利斯特的复旦之行，带来两道仍在求解的前沿问题》
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