作者 | 鄭南峰

大家覺的化妝品、日用品、醫藥、染料在生活中離得開嗎？當然離不開。如果離開了這些東西，今天的座位就沒那么舒服了，我們的世界也不可能有那么多色彩，但是一旦想到這些東西，大家馬上就會忐忑，因為它們都是“化工”產品，這就是我們今天要講的“化工”。“化工”會產生污染，比如固體廢棄物、水污染和霧霾，大家想到這些就會反感。

其實通過技術的進步，我們是可以解決這些問題的。

我們不應該把能改進自身生活水平的東西排斥在外，否則我們的生活水平就會倒退很多年。其實，不僅僅搞金融的有經濟、搞產業的有經濟，搞化學的也有經濟，這就是原子經濟性。下圖是一個含有A、B、C三個組分的化合物，我們最希望是A和BC化合物反應，就得到了ABC。這樣所有的原子都用上了，是百分之百的原子經濟性。可是很遺憾地告訴大家，現實中我們做不到，為了得到ABC，通常需要把BC組分通過一個D組分活化，活化后才能做出ABC。可是這個D成了什么？很有可能就成為副產物、成為污染物。我們化學家的夢想，就是希望能夠把副產物消除掉。

我今天主要給大家講含有氮元素的化合物。含氮化合物，我們真的離不開它，80% FDA批準的藥物含有氮原子，還有很多燈，比如夜景工程的LED氮化鎵，以及化肥、農藥都含氮。自然界里面，有非常漂亮的固氮過程，雷聲一響，氮氣就變成了氮氧化合物進入我們的生活了——自然界里有根瘤菌，可以幫我們把空氣中的氮氣變成氨，然后慢慢進入整個食物鏈。在一些動物的生命結束之后，自然界又用很多細菌把它代謝掉，氮就可以循環起來，這是在非常低的溫度下實現的。

在上個世紀，有一個非常漂亮的固氮酶體系，可以進行人工固氮，其中最關鍵的在于它能對空氣中的氮氣進行轉化。我剛才給大家展示的含氮化合物的材料，那些氮元素其實都是從氮氣來的，可是氮氣是非常惰性的物質，必須要把它活化才能發生反應。所以人工固氮體系，就是利用氫氣，和活化的氮氣分子結合，最后得到氨。如何活化氮氣分子呢？如果把壓力、溫度提高，這些分子碰撞的概率就非常大，可是氮氣還是氮氣，沒辦法把它活化掉。那么為什么上個世紀我們能夠發展出這樣一個固氮酶體系？最主要的就是我們有了催化劑的幫助。

有了催化劑，就把氮氣的原子扯開了、氫氣的原子扯開了，這時候它就可以開始反應了，這就是催化劑的魔力。比如，珠穆朗瑪峰估計沒幾個人能爬過去，這就好比合成氨反應具有非常高的能壘（很難翻越），可是如果我在珠穆朗瑪峰的半山腰開一些山路，是不是可以跨過珠穆朗瑪峰？催化劑可以把非常惰性的物質活化，活化之后它就可以把能壘降低，反應就可以在比較溫和的條件下實現。

事實上合成氨催化劑的研究，一共獲得三次諾貝爾獎，它解決的不僅僅是我們吃飯的問題。合成氨只是人工固氮循環的開始，大家知道氨里面有氫，把氫去掉再引入一些氧，就得到硝酸。有了硝酸，我們就可以做很多事情。大家看下圖中的反應，這個六元環是個苯環，我可以通過硝酸在苯環上引入硝基，再通過還原的辦法把硝基上面的氧去掉，變成氨基，但這里每一步都需要催化劑。

我們每個人基本上都會用到撲熱息痛，撲熱息痛的生產過程中有一步就是要把硝基變成氨基，在最早期的生產工藝里，大家用的是鐵粉，鐵是廉價的，我可以利用鐵粉把硝基里面的氧拿出來，再把氫放進去。可是通過這種工藝生產一噸撲熱息痛的中間體，會產生六噸鐵泥（固廢）。在2011年的時候，國家發改委出臺了一個文件，說要淘汰這些生產工藝。其實鐵在這里扮演著還原劑的角色，為的是把氧奪走，最綠色的辦法，是用氫氣把氧奪走，這樣它唯有的產物就是水。在這個過程當中，我們就需要用到新型催化劑。

在催化劑應用過程中，還需要解決選擇性問題。在座各位應該對響水爆炸事件多少有些耳聞，這個事件是新中國成立以來最大的化工爆炸事件。其實它做的就是間二苯胺，是通過間二硝基苯還原得到的，間二硝基苯如果再接一個硝基，那就是TNT炸藥了。大家可能會覺得非常簡單，不就是把兩個硝基變成兩個氨基嗎？可是我很遺憾的告訴大家，真的挺難的。

這兩個硝基需要同時變成氨基，可是有時候會只變一個，而且有時候不會直接變成氨基，還容易變成羥胺。這會有什么問題呢？如果只有一個氫化，它可能馬上跟另外一個分子反應，產生焦油。大家在朋友圈可能經常看到，說哪里的固廢發生了著火，其實就是因為產生了大量副產物，囤放在企業里面，固廢里如果有一些硝基，是很容易爆炸、很容易起火的。當然這個事件的原因，我們現在還沒有辦法完全知道，但是多少是跟這個有關的。

這起爆炸事件，現在產生的后果還是蠻嚴重的，很多化工園區被關掉了。與此同時，產品價格攀升，為什么？因為我們每一天的生活都離不開它。這些產品都是我們中國非常有特色的，比如做一些高性能的纖維必須要用到的，沒有這些東西整個工業鏈條都是斷的。所以其實我們真正要做的是通過技術的進步，來推動整個產業的發展。

催化劑有三大催化劑，剛才提到的生物固氮體系，其實就是生物酶體系。

除此之外，人工催化體系中，有一個叫均相催化劑，現在用的最多的是氫甲酰化的均相催化劑。它做什么事情呢？這里有一個碳鏈，我可以讓這個碳鏈上面再增加一個碳鏈，因為它靠這個中心，可以把一氧化碳、氫氣活化，而一氧化碳上面有一個碳，它就可以往這個鏈上一直加。這是目前做的最多的均相催化反應，生物體系里面當然也很多。

無論是生物酶催化還是均相催化，這些催化劑看上去都挺漂亮的，它的結構都完全確定，所以反應都是量身定做的。而且這個體系的好處就是，反應物（下圖：藍色顆粒）和催化劑（紅色顆粒）在溶液中可以非常好地混合在一起，所以活性很高，而且指哪打哪。可是工業界不喜歡它，因為它溶解在水里，不能撈出來再用，即便撈出來，也要浪費很多能量。所以從賺錢的角度，他們不喜歡生物酶和均相催化，而會選擇多相催化劑，也就是催化中心在固體上面，這樣反應完了之后，很容易就從體系里面撈出來。

多相催化劑把活性組分固定在一個載體上面，而且它的比表面積很大，比表面積大就可以負載很多活性顆粒，催化活性就可以提高上去。在這樣的情況下，它的經濟性特別好。而且它很穩定，很容易回收。可是它的劣勢也出來了，通常來講它的活性卻是比較低的。更重要的是，它的機理就像一個黑箱子一樣不清楚，機理不清楚，就沒有辦法做到指哪打哪。

為了提高它的活性，一個做法就是把活性組分做的越來越小，很多化學反應都是在表面的反應，如果拿一塊黃金，可能很難反應，可是如果把它切的非常細小，甚至是納米顆粒，很多新的性質就展示出來了，所以一旦把這些金屬的活性組分變成納米顆粒之后，很多神奇的現象就發生了。比如剛才講到的金，如果把金做成那么小的顆粒之后，把它放在載體上面，它就有非常好的催化活性。我們就把它叫成尺寸效應。其實不僅僅是尺寸效應，把這些顆粒做成不同的形狀，它也有不同的效應，得到不同的催化效果。除此之外，把尺寸做小之后，還有載體、界面、組成效應很多很多。

下面給大家舉個例子，為了把這些小的顆粒看清楚，我們可以借助電子顯微鏡。大家看一下，這每個亮點就是一個金顆粒，在電子顯微鏡下面，可以把它看得蠻清楚。這是二十年前的技術水平，現在我們不僅僅看到了這些顆粒，還看到了這個顆粒長得有模有樣，有一些形狀，表面并不是左邊圖中看到的球形。除了這上面的顆粒，下面還有一個原子或者幾個原子堆疊在一起。

我們二十年前一直以為當時看到的那些納米顆粒就是真實的催化中心。但是眼見一定為實嗎？

如果我用化學的方法，把二十年前我們看到的這些顆粒全部刻蝕掉，如果再用二十年前的電鏡看這個催化劑，就什么亮點都看不到了。可是，這個時候我再做一個原來的反應——水煤氣變換反應，它的活性竟然和刻蝕前一模一樣。大家有沒有一種被騙的感覺？其實對于化學家而言，眼見不一定為實。因為我們缺乏一個有效的眼睛，能夠看清楚我們想看的東西。

如果你在原子分子水平上去看，你會發現上面的結構，有頂點、有棱、有面，在這上面反應一樣嗎？從化學的角度來講應該是不一樣的，因為結構特征完全不同。這就意味著也許在它的頂點，產生我們想要的東西，在棱上、面上，就是我們不想要的東西。但是沒有辦法控制它，又沒有辦法把不想要的路徑阻斷，所以這就產生了污染。

講完這個例子，大家有沒有感覺像瞎子摸象？剛才看到的納米顆粒，好比是摸到的一堵墻，于是我就說我摸到的這堵墻好，我把看到的跟最后的效果相關聯起來，但沒有一個真正有效的手段能夠直接看到到底是什么在發揮作用。

為了突破瞎子摸象的情況，在過去幾十年我們科學家也是非常努力的。

第一種做法就是，把“象”都做的一模一樣，用一個非常規則的表面去模擬催化劑，也就是說可以通過控制表面，看原子堆疊的怎么樣。再看不同堆疊的催化劑的表面，它的催化活性怎么樣，然后就可以得出結論：這個表面最好，那個表面不好，以后你要做，就做這個表面。這就是基于表面科學的研究。

這個研究雖然在2007年獲得諾貝爾獎，但是還是被詬病的。因為在實際體系中，納米顆粒非常小，這意味著上面有很多特征。你不能光看著大象的側面很平很大像一堵墻，就用一堵墻來模擬它，大象還有尾巴呢。所以表面科學研究出來的結果在實際體系里面不一定適用。還有就是，表面科學研究中用的單晶催化劑比表面積非常小，但是在實際體系里面催化劑的金屬比表面積是非常大的。表面科學研究中為了檢測物質在非常小的比表面積上相互作用的方式，通常會用到高真空的技術，可是實際應用的催化劑，都是在常壓甚至在高壓情況下反應的。所以存在兩個鴻溝。

因為納米材料的出現，所以人們就發展了第二種策略，做成一模一樣的催化劑。比如說，這個催化劑里面全是長成這樣子的納米顆粒，另外一個催化劑是另一個樣子，讓這兩種樣子的催化劑去催化反應，發現第一種催化劑效果特別好，就可以說明這個反應里面這個樣子的催化劑是最好的。采用這樣一個策略，比如楊培東老師的一個工作，楊培東老師對二氧化碳的轉化特別感興趣，他會用到二氧化碳轉化的一個催化劑，這個催化劑可以把二氧化碳變成一氧化碳或者變成其他有用的化學品。但是在水里面，這個催化劑也可能把水變成氫氣。這里面的催化劑，就做的一模一樣，但是這些只是看上去一模一樣，里面卻可能不同。這里面有黃金和銅，有一些是雜亂無章排列在一起。而有一些，比如有帶孩子的，就是孩子坐中間，老爸老媽坐旁邊這樣排列下去，所以排列情況是不一樣的。他就發現排列情況影響到它的性能，這很漂亮，它就排除了尺寸效應，就告訴你只跟排列有關。

我們組做了很多工作，是圍繞著“在納米材料表面修飾有機物，使反應更有選擇性、更綠色”。 剛才提到這樣一個納米材料（下圖），需要用電子顯微鏡來看。電子顯微鏡好比我們的眼睛，我看到大家需要通過可見光的反射，如果有人穿著透明的外套，我們是看不到外套的。這個材料每一個亮點都是一個金屬原子，但是其實它表面還有一層有機物，但因為電子跟它的相互作用很弱，所以它對電子是透明的，也就是說材料表面的有機物我們通過電子顯微鏡看不到，但我們可以想象。就像一個刺猬，刺猬上面有很多刺，那些從書上落下來的葉子是很難接觸到刺廈門的皮膚的，因為外面這層刺把葉子擋住了。葉子如果要跟皮膚接觸，不能躺下去，只可能豎著插下去。

下面我就給大家講一個在工業上面已經應用的例子。（下圖）左邊這個化合物，是六元環上面有一個硝基，這個硝基是從硝酸過來的，上面還有兩個綠的基團，我們在把硝基變成氨基的同時不能讓這個綠的基團脫掉。綠的基團一旦脫掉，比如千分之一脫掉了，它的價格也許就從一噸二十萬變成了五萬，甚至就是完全不合格的產品了。那么怎么能把氫氣加上去，而避免綠色基團脫掉呢？其實用的就是剛才給大家講的刺猬策略。

大家看（下圖）這個立方塊，這些原子在表面排列的非常清晰，為了避免其他因素的影響，我在上面“種一些樹”，我知道這些樹該怎么種，種完之后如果有一個分子要躺下去，它躺不下去的，但是樹與樹之間有縫隙，氫氣很小，就可以往里面鉆。在這樣的情況下，一個氫氣分子可以變成兩個質子，兩個電子。這個過程很重要，因為在自然界的確有這樣的過程，就是自然界的還原酶。

可是在化工催化體系里面，通常一個氫氣會變成兩個氫原子，或者是變成帶正電荷的質子和帶負電荷的氫負離子，這不是自然界的路徑。通過“種樹”之后，我們就模擬了自然界的路徑。氫氣變成了質子，“樹”可以作為質子的泵和管道，把質子傳遞出去。電子不需要媒介的幫助，它可以直接隧穿過去。所以就很漂亮地實現了硝基的氫化又不讓綠的基團脫掉。

這么簡單的策略，現在企業已經用的蠻多的。現在這些產品其實都是用我們這樣的策略做出來的，做出來的材料品質很高，污染物也很少，也特別感謝現在國家大項目的支持，能夠讓我們搞基礎研究的科研工作者跟企業抱在一起，真正了解企業的需求。

通過這個例子，我也希望說服大家，我們真的需要通過技術創新，讓我們的化工生產更綠色，因為我們真的離不開化工給我們帶來的好處。同時，化工生產中會用到很多催化劑，而催化劑像黑箱，通過我們的科研工作，可以讓這個黑箱慢慢打開，可以知道這里面到底哪些因素會產生副產物，哪些因素可以幫助我們得到想要的東西，就像我們最后展示的例子一樣。

我的夢想就是，在未來我們的化工不再有污染，但我知道實現這樣的夢想是很難的。作為一個化學工作者，我當年回國的時候，楊培東老師說國內有大把的機會，因為中國特別需要技術，我們整個產業鏈的各個環節都需要這些技術。所以，我也希望自己這些基礎研究的結果，最后能夠在產業里面得到應用。我覺得我們的國家的確有大量的機會，謝謝大家！

鄭南峰，教授，1977年生于福建省漳平市。1998年獲得廈門大學化學系學士學位。2005年于美國加州大學河濱分校化學系獲得博士學位，師從Prof. Pingyun Feng。博士論文研究方向是硫化物納米團簇及其超結構的合成與表征。2005-2007年，在美國加州大學圣芭芭拉分校Prof. Galen D. Stucky課題組擔任研究助理，研究金催化。2007年，應聘為廈門大學教授。目前是廈門大學的長江學者特聘教授。已獲得諸多殊榮：2004年獲美國材料研究學會的優秀研究生獎，2006年獲美國化學會的無機杰出青年科學家獎，2009年獲國家杰出青年基金資助，2009年獲福建省杰出青年基金資助，2009年獲中國化學會—約翰威立出版公司青年化學論文獎，2010年獲中國化學會青年化學家獎，2012年獲霍英東教育基金會杰出青年教師獎，2011、2012年獲日本化學會Distinguished Lectureship Award，2013年獲東京大學Zasshi-kai Lectureship，2014年獲第四屆中國化學會-英國皇家化學會青年化學獎，2016年獲中國優秀青年科技人才獎。于2012年入選中組部青年拔尖人才支持計劃，2013年入選中青年科技創新領軍人才。目前擔任Nano Research、ACS Central Science, Advanced Materials Interfaces、ChemNanoMat、Science China-Chemistry和Chinese Chemical Letters等期刊的（顧問）編委。研究興趣主要在于先進功能材料的基礎研究和實際應用，尤其在催化和生物領域。他的目標是在分子水平上更深入理解功能納米材料的合成、性質和應用。課題組目前主要研究集中在貴金屬納米晶的表界面化學，具有生物和催化應用的多級納米材料，以及納米團簇化學。

課題組：https://nfzheng.xmu.edu.cn/index.htm

來源 |  本文經授權轉載自“墨子沙龍”（ID：MiciusSalon）