【视频】神奇的化学与催化剂 | 包信和

包信和，1959年8月出生于江苏省扬中（县）市。物理化学家，理学博士、研究员、教授。中国科学院院士、发展中国家科学院（TWAS）院士和英国皇家化学会荣誉会士（HonFRSC）。中国科学技术大学校长。

主要从事能源高效转化相关的表面科学和催化化学基础研究，以及新型催化过程和新催化剂研制和开发工作。在天然气（甲烷）直接转化制高值化学品和煤基合成气直接制低碳烯烃等研究领域取得重要研究进展。

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各位老师、各位同学大家下午好。很高兴今天有这个机会，今天有两件事。一个是建伟跟我讲了好几次，大家讨论了之后接受建伟中学的张老师这个心意，特别是对科大的努力，今天就有这样一个仪式，我来很高兴做了这件事（注释：2018年6月16日，潘建伟院士的中学物理老师张榕珍老师为墨子沙龙捐助了她的毕生积蓄30万元。包信和校长为她颁发了捐赠证书，我们在此也对她表示诚挚的感谢）。

第二个事情一直跟我讲有机会在墨子沙龙论坛要不要讲点什么。本来准备一个高大上的学术报告，最后跟我说你不能讲太深，太深了大家听不懂。因为听众大多不是搞这行，那这个事情对我来说特别困难，我看下面初中的学生也有，可能还有小学生，我很高兴有这个机会跟大家做交流。

大家假如没有完全听懂没有问题，我有一个感觉，我认为科普这个东西特别重要。我大概2003年在化物所当所长，那时候刚刚开始做科技活动周，好多爷爷奶奶带着小孩大概五六岁这样的小孩到研究所去看。一个爷爷带着小孩从山上往下走，我听他跟爷爷讲“爷爷，我知道我长大以后要干什么了”。

我知道我长大以后要干什么了。这句话我一直记在心里。科普不是你要教育他什么，而是给他灌输让他有这样一个科学的精神在脑子里。现在好多小孩子看到球星说，我长大以后要踢球，很好。看到明星说，我长大以后要做明星。我们也有科学，假如说小朋友说，长大以后要当科学家，这个对我们来说也是特别重要的。所以我一直认为应该做科普，我给大家讲这个事情，就是为了说明科普特别重要。

我做个简单的介绍。我1959年8月出生在扬中，我中学毕业是1975年，当时1975到1978年的时候，不光是在农村插队，我还在工厂待去了一年半。后来改变我整个人生的就是1978年考上复旦大学，所以考上大学还是很重要的。现在有些小朋友你说考试不重要是吧，当然从其他角度也可以这么说，但是考上大学对人的一生还是有很大改变的。

我在复旦大学待了差不多十年左右，我运气比较好，大学、硕士研究生、博士研究生直接读下来了，后来在复旦大学做了两年教师。1989年的时候到了国外，在国外待了差不多六年左右的时间。回国后我去了就到了中科院大连化学研究所，在2015年我去了复旦，以为会在复旦工作到职业生涯结束，2017年我又被派到了科大。

我整个经历大概就是这个样子。我在复旦的时候学习物理化学金属催化，到了国外研究的就是表面化学催化，所以我基本上都是在催化这个领域。到了大连化物所以后研究催化化学、能源转化，从更多是把催化转变变到能源研究领域这个方面。我前面给大家简单讲讲，为什么能源这个事情变得特别重要。

能源我们每天都要用的，我不知道这里有没有哪个小朋友知道什么是能源。

小朋友：能源就是一种可以释放能量的东西。

包：那我们为什么要用能源呢？

小朋友：因为它会帮助我们生活更方便。

包信和：你接触到的能源有什么？

小朋友：像坐火车什么的，就需要用能源驱动。

包信和：我曾经到小学做报告，也到初中做报告，也到高中做报告。我就有一个感觉，我们中国，小学生最肯提问题，也是最肯回答问题。到了初中生，基本上扭捏就不怎么回答问题了，一到高中你问他就基本不讲这个事。所以咱们中国的培养模式，是不是把小朋友提问题、回答问题的热情这个都磨灭掉了。

这位小朋友刚刚讲的特别对，能源是我们每天都会碰到的，煤、石油当然是能源，其实我们每天碰到的能源叫二次能源，是经过转化以后的能源，比如说驱动火车，内燃机也是靠热能，现在是靠电能。

我们看到火箭、包括高超音速导弹（注释：高超音速导弹，可在10分钟内打击1000公里外的目标，目前最高速度可达6.5倍音速），它需要很强的能源。

有了人类的时候就有能源的利用，最早是用火，没有火的话就没有能源。19世纪都是用木材，第二次工业革命能源主要来自烧煤，我们现在用电比较多，但电是从天然气、核能（转化而来）。

大家可以看到我们现在讲的能源，都是一次能源，木材、煤炭、石油、天然气，这些都是自然界给我们的能源。最早我们用烧炭，现在一般用煤、天然气发电。可能没人能知道未来到底用什么能源，但是目前可预见的是太阳能、风能、核能，这都是我们未来的能源。

中国的能源结构同外国是不一样的。我们中国人烧煤比较多，英国人最早是烧煤的，慢慢后来就不烧很多煤了，但中国现在还是。国际上有统计，到2030年的时候，黑的是煤，绿颜色的是石油，上面是天然气。大家可以看到，煤、天然气、石油三种能源占了大部分。

也就是说现在不管是风能、太阳能、核能，真正可利用的比例是10%-15%左右。人类常用的能源85%-90%，还是从地下挖出来的化石能源，也就是煤炭、石油等。但大的趋势是什么呢？一个是能源需求不断增加，我们大家知道以前家里有个冰箱，现在不光是有冰箱，什么东西都有了，那就得用电。第二个是天然气和可再生能源比例需要增加，我们现在在做很多增加使用天然气比例的工程，北京也说我们不烧煤了，就烧天然气，最后也不行，因为天然气供不上。第三个趋势是碳排放要不断降低。

但是每个国家的想法不一样，美国人想法和我们不一样。美国人非常重视天然气，美国原来是进口天然气的，但是美国发展技术可以开采页岩气以后，他不光不进口，还出口能源。所以美国原来在中东不敢乱动，因为他的石油、天然气都从那里来。但现在都有了，政治上就比较强硬。

特朗普原来竞选总统还因为能源问题比较顾忌中东，现在他不怕了，他能源很充足，不怕中东拿能源问题威胁他。

德国重视发展风能、太阳能，巴西甘蔗比较多，温度比较高，农作物也比较好，所以他希望搞生物的。所以每个国家能源发展方向不一样。我们中国人到底怎么办？我们中国这么大，你靠两个太阳能发电板，靠两个风力发电机转一转产生的能源太少，不能解决实际问题。我们看看，中国人的能源跟外国到底有什么不一样？基本上外国有的能源问题，我们中国人都有。而且外国没有的，我们中国也有。

第一个就是能源不够，能源永远是不够用的，这点肯定对。第二个中国很大的问题，我们有的是煤，这个煤是发电的，但是液体能源特别少。环境污染、农村能源、二氧化碳排放……

农村能源，在座的小朋友大概不了解，能够烧煤的农村已经是发展不错的地方了，假如能够烧天然气，基本是发展很好的地区，地级城市可以烧天然气，一般的城市都还是要烧煤的，再差一点的是砍柴的.要做饭了，到山上砍点柴来，晚上没有电灯，还在用煤油灯。

所以中国的情况跟外国不一样，其他东西要跟外国去学，能源这块跟他们学不了。

最近大家知道，中国一直跟美国在南海有争端，大家都在讨论这个事情。实际上这里面有一个很大的问题，我们从中东地区进口石油，美国人原来在中东进口的石油是多少？30%左右。中国50%以上的石油是从中东地区进口的油。石油要从中东用油轮运过来，要经过这个地方，叫马六甲海峡，还有新加坡，他们政治是亲美国的，如果哪一天中美开战，这个地方一封锁，我们进口的石油可能大部分都运不过来。包括南海这一块儿，为什么要花这么大力气争取主权？因为我们的运输路线都在这个区域。

所以外交实际上跟政治、经济紧密相连的。中国现在有什么解决措施呢？中国有一家公司在这里挖掘一条运河（注释：柳工集团在泰国建设克拉运河）。假如在这个地方挖一个运河，中国进口的石油就可以不经过马六甲海峡，从卡拉运河运过来直到海口。中国和巴基斯坦的关系很好，巴基斯坦在这里，在这个地方（孟加拉湾）有些港口，我们就把东西（通过孟加拉湾的港口）运到巴基斯坦，再运回来。所以从这些邦交、寻找港口等问题大家可以看到，都和我们的能源有很大的关系。我们还在跟俄罗斯和其它国家，从北方铺设一些管道，把石油和天然气从上面运过来。

所以中国能源的状况跟国外是不一样的，我们（能源使用分布）大概是20%的石油，70%是煤，还有一点其他的能源（水电、天然气、核能等）。我想和这里的小朋友们说，你们爸爸妈妈开车子用的汽油，每加1升油，大概0.6升是进口。中国能挖到的油一年两亿吨左右，那中国要用多少油呢，每年要用五亿吨以上，我们60%以上的油是从国外进口的。假如哪一天我们进口不到油了，车子也就开不了了。

现在能源靠进口，但我们不能永远靠进口，我们一定要想办法，外国人一旦不给我了，我怎么办？我们中国人最多的能源是煤，大概占能源储备的70-80%，而且煤的储量还特别高。所以对于中国人来说，一个非常重要的事情就是把我们的煤好好利用起来。假如煤用不好，一是污染环境，二是能源浪费（注释：中国本土能源结构以煤为主，液体能源少，需要大量进口）。

世界上的人均能源可采储量，比如石油，平均每人有23.68吨，中国人均只有2.59吨。大家算算，2吨石油，能够炼多少汽油？估计也就1吨多。你开一部车子，一年大概消耗多少汽油呢？大概一吨的汽油。一辆私家车一年就把中国人分配到的石油用完了。如果我们中国人每人配一辆汽车，中国的石油储量根本无法供应。

天然气更少，世界上平均每个人有2.58万立方米天然气可采储量，中国人均只有0.11万立方米。但是中国煤比较多，世界上煤储存量最大的国家，一个是俄罗斯，再一个就是中国、美国。所以对中国人来说，煤是很重要的。现在有种统计，到了2030年、2035年以后，煤在中国的能源结构里，还要占大于50%的比例。

煤用来发电当然没有问题，我就不再多讲，我来讲一下怎么把煤转化为我们需要的油，或者其他需要的化学品。为什么把煤转化为油和化学品呢？因为我们现在用的很多化学品，都是石油转化过来的。如果我们可以用煤制作出这些化学品，就可以节省石油，用它来开车、或者做其他的事情，等同于找到了油田。所以对我们来说，如何把煤炭转化成油和化学品是很重要的。

我们穿的衣服，化纤的衣服，基本上都是烯烃，聚乙烯、聚丙烯等。我们一吨的乙烯要三吨的石脑油（注释：石脑油（naphtha）是石油产品之一，又叫化工轻油，是以原油或其他原料加工生产的用于化工原料的轻质油，主要用作重整和化工原料）。三吨的石脑油差不多要十吨的原油，十吨的原油才能炼制出一吨我们做衣服的乙烯。我们用煤做这个，我们不就省下来油了吗。

我们中国特别关注这件事，我们中国人应该是做得最好的。总书记上次到宁东看了一次，我们一年做四百万吨油的装置是用煤做的，这个也是国际上最大的。

但是世界上的所有事情都是有双面性的，是双刃剑。这个煤能烧出一氧化碳，但这个里面没有氢气。那么油含什么？是碳氢，所以你一定要加氢进去，你不加氢就变成碳这样的东西。氢怎么来？氢是从水里来，但是水里的氢是拿不出来的。水的分子式是什么呢？H2O，有两个氢一个氧，假如你要把水里的氢拿出来以后，你就用这个氢。但是水里的氢不容易拿出来，怎么拿出来呢？我们用水煤气变换反应，是用一氧化碳进去把水里面的氢拿出来，变成二氧化碳和氢气。

也就是说你做煤的合成，一定要产生二氧化碳。一产生二氧化碳我们就不高兴了，这是第一个事情。第二个事情这里还有（需要）水，也就是说你要做这个煤化工，一个你要放二氧化碳，大家可以看到一吨的油出来放十吨左右的二氧化碳出来。烧掉一吨的煤，要三吨以上的二氧化碳出来。同时他用大量的水，有煤的地方基本上没水，像陕西也缺水、新疆也缺水，但是煤很多。所以假如说做煤化工，一定要想办法弄水，没有水就做不了煤化工。

一个是排放二氧化碳，第二要用水。这样美国人就搞了一个事情，因为我们中国人不是烧煤吗，美国人就说你中国人烧二氧化碳太多了，我要减排你，我要把你二氧化碳降低。我们中国人就是烧煤的，你不让我们排二氧化碳不就是不让我们烧煤吗，那不就是电发不出来，不让我们发展了吗。所以我们就讲单位GDP，就是我的二氧化碳排放是多少，所以这件事情也是在谈判。但总体来讲，我们还是要把二氧化碳这个事解决。

美国人想出一个办法，他说我要把二氧化碳收集起来，就是烟囱里的二氧化碳收集起来，把它纯化好以后，再用管道输送到一个地方去，最后压到地下去，然后封存起来。这个是什么意思？假如要是这样干的话，我们中国现在发电的效率，煤发电的效率大概是45%左右，这是最高的效率，你要按照他这么一弄以后，可能就要损失10%以上的效率，也就是说发电效率就剩下30%几。

我们中国人也不是什么都不做，我们中国人就想一个办法，我搞二氧化碳转化，把二氧化碳转成我们可以用的东西。大家可以看到，二氧化碳是一个碳，你要变成有用的东西，一定要有碳氢这些东西，一定要有氢来。我们脑子比较聪明，从水里用太阳能光照，也就是光催化，把太阳能分解成氢气和氧气，氢气加到这个地方来做，氧气把他放出来。

大家一听也蛮好的，但是我要这样讲，大概可能五十年也做不到这个程度。为什么呢？现在迄今为止这个太阳能把光解水分解成氢气和氧气，效率大概是一百份的太阳能进去，变成氢气的效率只有一点几份，90%几都浪费掉了。未来你要是一百份进去变成二十份出来，效率就有了，但我估计可能要几十年，因为这件事情从零开始到一点几，是从七十年代开始的，差不多四十几年时间才变成一点几，假如没有大的突破想变大是不可能的。

我稍微简单总结一下，我们化学家怎么看未来能源？因为我是化学家，实际上真正的能源就是液体燃料、化学品、电、热，迄今为止都是从石油、煤、天然气。现在两件事情来了，一是资源枯竭，没有了，这比较大。第二个你烧出来的东西都是二氧化碳。假如没有这两件事情，我们人类根本不担心能源。

接下来就要搞可再生能源，生物质、光、风、核能这些东西，未来光风核能都要变成电，它们是没有碳原子的，生物质是有碳原子出来的。所以未来整个能源系统一个就是电的系统，（第二个）未来这个氢肯定是很重要的，氢能的燃料电池等。那么氢从哪儿来呢？一个是从电解水变成氢，还有把生物质的东西分解变成氢，氢加进去以后，就把二氧化碳处理掉了。因为我自己是搞催化的，我就要讲这里面非常重要的一个事情，就是催化化学。没有催化，基本上这些事情都搞不起来。大家讲你自己搞催化，你就说催化厉害，没有就搞不起来。我就讲一点给大家听听，看看大家认不认可这件事。

大家知道氢气和氧气会燃烧的，但你把氢气和氧气放在一起，他怎么也烧不起来，温度升高到200度它也不烧。但是假如在这里面加上一点点催化剂，加一点点铂黑（注释：金属铂的极细粉末呈黑色，所以叫铂黑。用作催化剂，气体吸收剂。常温干燥密封保存）。氢跟氧就爆炸，爆炸以后就生成水。也就是说它们本来是能发生化学反应的，但如果不加一点铂黑，它们不会反应。再比如一氧化碳和氧，它们怎么混合也不会燃烧，但如果稍微加一点点催化剂，即使在很低的温度，比冬天、比黑河的温度还低的情况下，它们也能燃烧，生成二氧化碳。所以说，如果没有催化剂，是没法发生反应的。包括将太阳能把水转化为氢气和氧气，太阳在那里照射一千年一万年，也不会把它转化为氢气和氧气。你一定要加个催化剂，加了催化剂以后，才会变成氢气和氧气。包括二氧化碳再怎么弄也不会变成有用的东西，一定要加上催化剂，才会转化为有用的化学物。

为什么一定要加催化剂？为什么不会反应？这个当中从反应物到产物之中，一定要爬一个山。一定要爬过这个能垒，才会发生化学反应。如果随便什么物质放一起就会发生反应，这个世界就无法存在了。

假如说水被光线一照就会变成氢气和氧气，几十亿年照下来，水早就没有了。所以这样一座“山”，我们叫做能垒，是很重要的。如果没有能垒，这个世界就不复存在；但就是因为能垒的存在，给我们化学家带来很大的困难。

那么如何让物质发生反应呢？就像这样，我这里画了一个图，是英文的，从这边到那边，中间有一座山（能垒），要翻过这座山，必须要花力气，也就是消耗能量。现在有几种方法，比如我们现在去黄山，我们不需要花力气（爬上去），我们花十块钱买张票，乘电梯一下子就到山顶上，再从山顶上下来，就很方便了。化学反应也是这样，不用翻那座山，可以坐电梯上来。左上角，比如这个分子，本来能量很低，光一照之后，能量就高了，就发生反应了，这是一种方法。

还有一种方法，毛主席说过愚公移山的故事，我们当时都背过的，门口有个山走不出去，父亲带着儿子，儿子带着孙子挖那个山，把高山挖成低的才能爬上去。我们化学里面也有，本来“山”很高的，我们想办法把“山”挖低，就可以产生化学反应了。

那么化学反应中怎样操作呢？我们用氢气和氧气的化学反应为例，这个反应需要氢原子和氧原子反应，氢原子和氧原子的反应是很快的。首先把氢吸附在一个金属铂的表面上，氢分子变成氢原子，氧分子吸附在铂表面上变成氧原子，两个原子在表面瞬间就发生化学反应。（注释：金属铂是很好的催化剂，当氢分子被吸附到铂表面后，氢分子中的2个氢原子会和铂原子进行结合，就是所谓的吸附过程，在这个过程中，两个氢原子之间的距离被拉长，就从一个氢分子解离成2个氢原子）

可能大家没听懂。假如上大学了，两个女孩子非常好，就像两个氧原子拉的非常紧，平时拉不开她们。大家看电影一起去，去食堂吃饭也一起去，挺好的，但这样就没法发生化学反应了。来了两个男孩子，想分别约这两个女孩看电影，但是因为她们关系非常好，没法单独约她们去看电影。假如这个时候有一个男孩子来了，这个男孩子很有风度，用我们（化学家）的话说，叫做催化活性很高。两个女孩子中有一个人（对这个男孩）稍微动一点心，和这个男孩的关系稍微有点变好，因此两个女孩之间的关系就松动了。

本来晚上两个女孩约好一起看电影，结果其中一个和这个男的喝咖啡了，另外一个女孩子没有什么事情做了。这时候，如果另一个男生找她看电影，她就去了。这两个人如果一直在一起也就蛮好，假如这个人不是特别专一的，这个时候这两人之间的关系就不好了，不好以后另外一个男孩子可能约这个女孩看电影，她也去了。

这个事情就是这样子，所以这样一弄以后，就把本来这两个拉的很紧的键，化学反应里的键拉断了，所以这个男孩子就起了催化剂的作用。这个催化剂一定要有两个特性，一个是魅力挺好，长得一般没有用啊，反应的活性一定要高。第二个就是（催化剂和反应物）不能拉得太紧，所以催化不能太紧也不能太松。拉得太紧以后就变成反应了，就不是催化反应了。所以我这个例子虽然举的不怎么对，但是能够把催化剂解释清楚。催化剂就是媒介，做完（媒）以后就走掉了，而且自己没有任何损失。

催化有两个对人类重要的应用，一个是合成氨，这是我们中学都要学习的；还有烯烃，60年代烯烃催化发展以后，对人类生活有很大改变。没有催化剂石油是不能用的，石油从地底下开采出来，黑乎乎的，是没法直接用来开车的。

我这里有张图，因为我不是学生物的，可能不是很专业。我们人体里面（负责）催化的酶成千上万，到底有多少酶估计没有人说得清楚。但是有一点很清楚，我吃进去的东西是淀粉，淀粉分解以后是糖，糖放在身体里是不行的，它一定要有个东西把糖燃烧，或者淀粉燃烧，变成二氧化碳和水，一燃烧以后就放出能量出来。

这个低温下的燃烧，一定是催化剂让它燃烧的。假如没有催化剂，像平时烧火，一烧几百度，人是吃不消的。一定要有催化剂控制它，在37.5度-38度进行燃烧。如果燃烧太剧烈了，能量太高是不行的，如果不燃烧了，那也不行了。举个简单的例子，糖或者淀粉合成我们需要的脂肪或者骨头，都是由催化剂控制的。而且这个催化剂是非常精准的，没有一个催化剂做几个反应。

右上图，大家看到这是一个蛋白分子，红的东西基本上都是金属，蛋白可能也是催化剂，DNA可能也是催化剂，但是大家认为金属这个催化剂是很重要的，没有金属催化效率可能不高。所以人的身体里面为什么一定要有微量元素，假如你缺了哪个微量元素，你缺了铁，马上就不行了，缺铁以后好多养分就没法吸收，缺了锌也不行，所以这些东西都是在人体内催化剂需要的金属，所以这个东西很重要。这个催化理论出来以后得了很多的诺贝尔奖。

催化大概就是这么一个意思，那么催化什么时候开始，（催化的研究存在了）上百年，那现在正在做些什么东西？

最早的催化剂，实际大家都接触过，家里发馒头，水和面和在一起，用被子捂起来，捂个几年也不会发成馒头出来，如果你加一点酵母进去，搅拌一下，温度提高一下，明天面就发酵出来。做酒，糯米一进去，你再怎么捂也做不出来酒，但是一加酵母就变成酒了。酵母就是催化剂，把淀粉分解成醇了，就是酒。

所以催化反应很早实际上我们都做过。真正开始对催化进行科学研究，大概是一百五六十年以前，做到现在，大家认为催化里面最关键的几个东西，我前面讲的反应能垒活性中心这些东西是大家认为有用的，后面还有很多理论没有研究清楚。

我这里给大家讲催化反应到底干什么事，我们研究催化是在研究什么。我前面讲了化学反应有一个能垒，本来是很大的能垒，用了催化剂以后就变成小的能垒。化学反应的过程是一个分子获得能量到高的能垒上，接着越过能垒到中间形成中间态，我们把它叫做中间体，后面再反应得到后面的产物。

我们研究催化的人要做什么呢？我们要想办法把这个能垒降低，因为这个能垒一高以后，分子要爬的“山”就太高了，太难了，反应就不容易进行，速度会变慢，你就要想办法降低能垒。

第二个到了中间体以后，你要想办法把这个能垒控制。这句话是什么意思呢？假如我们爬山，爬到这个地方我准备回旅馆休息了。这个时候假如说旅馆还没找，你看到哪里容易下山，你就下山了。假如你父母已经把旅馆找好了，在山的南边，你跑到北边肯定不行，你要爬山到南边去。所以这个（中间体的）能垒就是控制（反应走向），要它高就高，要它低就低，一低以后反应就容易往这儿走，一高以后就把反应挡掉了，就像水一样，就不流到那儿去了。

所以我们做催化研究就做两件事，一个是把第一个能垒降低，第二个事情让中间体能垒能够自由调整。

最早的催化研究工作实际上是从合成氨开始的，这两个人是拿了诺贝尔奖的，一个是1918年，一个是1931年。这个人没拿过诺贝尔奖，Haber最早发现这个过程，是首创的，Bosch把这个过程变成有用的东西，解决了工程问题。

Mittasch这个人，他做了什么呢？原来这个过程不怎么好，最后他就炒催化剂，一筐筐的炒，炒了几千几万的催化剂（注释：1912年，德国BASF公司的Alwin Mittasch和Carl Bosch用2500种不同的催化剂进行了6500次试验，并终于研制成功含有钾、铝氧化物作助催化剂的价廉易得的铁催化剂，这也是现代合成氨工业催化剂成分的雏形），在这里面挑了最好的出来。实际上最累的是他，因为做了很多工作，但人家说你没有水平，你只是去炒，咸了放点水，淡了放点盐进去，再不行加点面粉进去拉一拉，人家说他水平不高，但其实他的工作还是很重要的。

自从Mittasch这么做了以后，以后催化剂都是这么做的。以前他们做催化剂的时候，他看不见这个催化剂到底怎么样，现在我们做催化剂的时候，慢慢我可以看见了。到底是咸了还是淡了，我可以测一测。但不管怎么样都是炒这件事。

后面表面催化就出来了，时间关系我就不跟大家去讲这个事儿了。大家知道这个催化反应一定是在表面的反应，所以到了上个世纪六十年代以后，大家能够把表面的原子看得很清楚，大家就认为这个时候我看清楚这个原子，我就能够看清楚反应，那催化反应可能就会比较好理解了。实际上不是这个样子。

他不是炒催化剂吗，还得有仪器去看怎么炒。实际上最终他要干的事情，就是改变能垒，就是看看怎么做这个事。最近纳米出来以后，大家认为纳米很重要，可以用来做这个事。

大家可能会问我，纳米为什么会重要呢？我简单的给大家讲一讲，这里面这个是催化剂，这是反应物，它要发生催化反应，一定要这个反应物跟催化剂要能有相互作用。那么化学上讲的相互作用，它一定要有电子之间的传递，一个电子传给你，就像我们两个好朋友一定要拉手，我把手伸给你，你把手伸给我，我们才能拉手， “拉起手”催化剂才能起反应。但是比如小朋友和姚明，姚明很高，小朋友很矮，拉不到而且也拉不紧。那就要想办法，就是需要我们小朋友两个之间个子差不多高，拉手能拉紧。假如不一样高，那就要想办法调得一样高。

我给大家讲一个例子，这个不一定对，因为这个都是封建的，不一定对。我们中国一直讲结婚要门当户对，门当户对这个事情到底对不对，我们不谈这个事。就是说这两个东西要差不多，差不多呢大家结合的就越紧，你要是讲两个差了很多，可能就有一点点距离，当然也有好的。

假如说两个差了太多，以后怎么办？两种方法。假如这个男孩子跟女孩子差蛮多了，女孩子家庭条件各方面挺好的，男孩子就要想办法奋斗，奋斗差不多就可以拉手了。那化学反应也是这样子的，假如说两个轨道在这里，这个轨道和那个轨道差得太大了，你就要调这个轨道，那么这个反应的轨道怎么调？一般光照一照，或者加热，把这个弄高，让它们能反应。

那这种大家都在做。还有一种我不动这边，我动这一边，我把这个地方的轨道降下来一点，这样两个人也就拉起手来了。我这句话说的是什么呢？就是我们催化，实际上搞来搞去，就是做这件事，怎么把催化剂上面的电子轨道，就是它的能级调变，调到跟反应物能够匹配的情况之下，让它反应。

最早是在这个里面加上另外一个东西，你看这个轨道都在变。还有后面的同样一个金属，用不同的面，它不同面上原子排布不一样的，那么电子就不一样，不一样以后有高有低，它就能够反应。

这个纳米出来以后，大家很快就知道很重要，纳米很大的原理是，当这个粒子小到一定程度以后，原来那个连续的带，我们叫能带，就会分类，一分类就变成一个高一点、一个低一点。大家知道分类有高有低，这个有可能高的之间就能对上，或者分类低的之间就能对上。

通过调变纳米粒子的大小，我就能够调变轨道的高低。所以这个事情一出来以后，马上大家就说纳米能做纳米催化研究，这个就非常好，我们自己也在做这个事，纳米碳管这一系列的我们都做了。

今年总书记在两院院士会议上说了一句话，我听了很高兴，总书记说我们国家的纳米催化这一块已经到了世界前列。纳米催化在国内，最早是我把这个研究推起来，所以我听了也是很高兴。那么纳米催化我们做了什么事呢？

我们最早是做纳米碳管，就是把我们纳米催化剂粒子，小的粒子摆在碳管里面做反应，做了合成氨等很多应用，这个工作我们发表了一篇文章，这是我们最早的工作。

后面我们就把纳米的粒子摆在表面上，用表面之间的相互作用把纳米粒子拉住，拉住以后这个金属原子就变得非常活泼非常强，这个工作我们也发表了一篇文章。

后面我们又做了一件事，这个事情很重要，我们把纳米这样一个粒子摆在晶格里面，这里面有铁的原子，让这个晶格里铁的原子一直“吃不饱”。什么叫吃不饱？因为它被旁边的东西拉着了，它要是不拉着就把氧原子吃掉了，就氧化了，吃饱了就是饱和的氧化铁。但是它被拉住以后，这个铁就一直吃不饱。假如来一个甲烷，它也不让它吃，就走了，如果吃上一个甲烷就连在这里不走了，它就饱和了，但它最后也没吃上，也就没饱和。

所以我们就把天然气甲烷的分子就转化成烯烃，这个烯烃的工作后面也在很好的杂志上发表了，这个工作也拿到了国家十大科技进展。

最近我们做了一个工作，我们把煤合成气摆在这个表面上，让他把煤直接变成烯烃。这个事情很重要，而且我前面讲的煤的转化，我们这个煤的转化是不需要用水的，就把水的事情解决了。所以这件事情我们发表文章以后，国家各方面也都很重视。我们经过这些东西的研究以后，为什么总书记说我们的纳米催化还不错呢，我们也有一份贡献，我们提出了一个纳米限域催化的概念。

   
美国人2017年底的时候，关于催化规划怎么做，他们出了一本书，引的第一篇的文章，第一章要讲的事情就是我们这个事情，大家可以看到，开篇的第一篇文章就是我们写的，关于纳米催化，怎么来做这个事情，这个事情各位也是比较认可的。所以总书记说（中国纳米催化研究）进军世界前列。

下面有一点点时间，我就举一个例子。这个催化剂到底怎么做。这个煤怎么变成烯烃，就是变成我们这个衣服。也就是煤炭怎么变成油、变成化学品这个事。

这个事情最早两个德国人，一九二几年就做了这件事，所以早期催化研究成果好多事情都是在德国做起来的，一个叫Fischer，一个叫Tropsch。怎么做呢，就把水、煤和氧气弄在一起，出来一氧化碳和氢，我们把这个叫做合成气。八个碳原子就是汽油，十六个碳原子就是柴油，那么这里十六个碳原子都有了。Fischer和Tropsch就做了这件事。

【PPT50】

这个过程从一九二几年开始，大家就认为是很重要的一个事情，而且全世界都在推这个事。催化以后非常神奇的地方，它稍微变一变，这个是金属原子，它出来的产物就是不一样。这个就像我们身体当中，蛋白也是碳的，碳氢氧的，但是中间加一个活性原子之后，原子一变以后，你可能出来的就是脂肪或者另外一种东西，这个是很神奇的，完成可以控制这种转变。

所以大家都去做这方面的研究了，这个做得很好，马上就要一百年了，这个里面有两个非常大的问题，大家一直想克服它，一直没有能力克服它。什么问题？这上面红的是氧，黑的是碳，就是一氧化碳，我们把它叫做合成气。它用的催化剂是我前面讲的金属，这个是金属表面，这是催化剂。它把一氧化碳摆在金属表面上，接下来氢也到表面上，我前面讲了，催化剂就是吸附在这个（金属）表面上，断开它们，让它们反应。

这两个氢就跟这个氧反应，氢跟氧反应变成了水，这个水就跑出去了。那么后面一个个这么反应，氢又来了，来了以后和碳原子反应，变成CH，这就是石油的单体，一个个连起来就是石油了。

一步步在表面上反应，大家马上就可以看出来，一个要氢气进去，氢气进去以后生成了水，一氧化碳里面的氧，把它拿走生成了水。氢从哪儿来的呢？氢从水里来，也就是说这个反应当中，先加了水进去，最后又生成水出来，也就是在里面做了一个循环，好的水进去废水排出来，变成这样一个反应。

   
第二个事情这个反应到底是变成两个碳原子、五个碳原子还是十个碳原子，他在表面上做的反应，没有任何人能够控制他，到底是要变5个， 10个，还是20个。要合成出来的有汽油、有柴油、有液化气，什么东西都有。也就是说出来的物质从碳1的原子一直到碳100都有，没有选择性，所以你要碳12就拿碳12，要拿碳15就拿碳15，其他好多东西就浪费掉了，或者处理掉。所以大家做了一个计算，假如一百份碳进去了，假如要做我们穿的衣服需要的碳2-碳4的烯烃，最后就能做二十份出来。最高的差不多就是50%左右的选择性，所以大量的碳就被浪费掉了。所以这个过程虽然好，解决了问题，但是浪费了很多。

我们这个研究组我们很多人，我们做了差不多十年以上了。我们做了一个方法，发现我们这个催化剂进去以后，碳2到碳4的选择性，它的选择性可以到70%到80%。他们原来只做到50%几，我们可以做到70%到80%，而且稳定性特别好。这个事情从来人家没有做到过，我们为什么能够做到这个样子？我们做了很多的基础研究，我们怎么做的这个基础研究呢？

大家一看就能看出来。我们这个催化剂分成两部分，一部分是氧化物，一部分是分子筛，分子筛是什么？就像有很多孔的筛子一样，大的东西下不去，小的东西下去了，我们叫分子筛，筛分子的东西。假如我把氧化物摆在这个反应管里面一反应，出来的都是甲烷，都是一个碳这样的东西，还出来一点点这个东西。

后面我们还发现，假如这个氧化物下面摆一点分子筛，出来的产物就不都是甲烷了，一部分是甲烷，还有一部分是我们做衣服需要的烯烃。假如我把这个一层一层的氧化物分子筛这么一弄，出来的甲烷特别少，我们需要的烯烃特别多。假如我把它混起来以后，发现最终我不要的东西非常少，要的东西特别多。这个时候我们就有一个感觉，这个反应里面，一定有一个东西从这个氧化物的表面上跑到分子筛里面来反应。

这个研究不像前面的费托过程，两个东西都在一个表面上，反应好以后就走掉了。所以我们后面做了很多这样的研究，包括我们在合肥的同步辐射上也做了，合肥同步辐射的这篇Science是什么呢？这篇Science 就是我们跟他们一起做的这样一个东西。

我们后面就发现这个当中有这样一个分子，在氧化物表面上形成了这个分子，最后变成这样一个东西，跑到气相当中去，最后在分子筛孔道里面反应，生成了我们需要的东西。我把这个东西也搞了一张这个图，前面是氧化物，氧化物一定是有缺陷的氧化物，不是一个非常好的氧化物，前面我讲了一定要有那个分子在上面他没有吃饱，要饿着，吃饱了不行的。所以我们讲大家每天吃饱喝足了，是没有活性的，你叫他稍微饿一点，家里稍微有一点钱但不是很多，假如家里钱很多了就没有意思了，只有钱不够或者钱少一点的时候，这个时候他就有这个活性去做这个事，一定要有缺陷的这样一个位置。

那这个时候一氧化碳来了，来了以后他就先到缺陷这个地方去，一下子把它断成一个碳，一个氧，那么费托里面是什么呢？是用一个氢气把这个氧拿走变成水。我们这里不是，我们这里是用另外一个一氧化碳，一氧化碳不是一个碳一个氧吗？把这个氧拿走变成二氧化碳。这样一个过程就把它全换过来，剩下的这个碳原子在上面跟氢气反应，变成CH2这样一个分子。这个分子不在这个表面上反应，它只要一反应，一生成这个分子，就离开这个表面，离开表面以后我们外面有个分子筛，大家看就像这样一个东西。

这个分子筛有孔,分子有大有小，小的东西能进到孔里，大的东西就进不到孔里去，也就相当于在这个孔道里，就生成小的，大的就不生成。有了这个孔以后，我就把这个分子筛调了，要小分子就调小的孔，要中分子就调中的孔，要大分子就调大的孔。这样我就把这里面完全控制了，第一个不用氢不生成水，第二个出来这个中间体，在分子筛孔道里面反应，生成我需要的东西。那么我们同样也去做一个跟前面一样的东西，前面大家知道，一百份碳进去，出来二十份东西，我们这个一百份碳进去，出来四十三份有用的东西，多了一半了，多了一半大家就很高兴，就做这样一个事情，发现这里面整个分布都变了。

 
我再跟大家讲一个道理，就是为什么会这么做的道理。前面这个是费托（合成）过程，我们可以看到它的这个反应都在催化剂的活性中心上面，也就是说他要么反应这个，要么反应那个，所以他整个就像小孩坐跷跷板一样的，反应这个高了这个就低了，因为它总共就一个支点在这里，吃了这个就不能吃那个。

那我们现在做的是什么呢？你看上去是一个，实际上这个东西是两个，一个是氧化物，一个是分子筛。这个反应在这上面反应，变成了我们的一个中间体，中间体传到分子筛这个东西来，在分子筛里面变成我们这个产物。也就是反应的和变成产物的这个东西不是一个地方，那么这样一弄以后，等于是我要产物多也可以，要这个高也可以，这样就把跷跷板的这个东西打破了，打破以后我同样要高就高，同样要低就低，这个事件就像荡秋千一样的过程。

这张图是我最近刚刚做的，目前我们好多小朋友也不一定能听懂，但是我还是要讲一讲，为什么大家对这样一个事情特别感兴趣。

大家知道这个煤，你把它气化出来，变成合成气，合成气就是一氧化碳和氢气，合成气中氢气和一氧化碳的比例是0.5。为什么煤一烧变成合成气呢？我给大家讲一下这个知识，但是对你们没有用，对农村还是有用的。烧那个炉子，将来冬天取火烧炉子，你要搞得不好，把那个水滴到炉子上面，它出来就不是二氧化碳，出来的就是一氧化碳，一氧化碳积累以后就中毒了。所以冬天经常有人洗澡中毒死掉了，就是这个水搞到煤上去了，烧出来的就不是二氧化碳，而是一氧化碳，一氧化碳就变成让人中毒的东西。

所以煤部分发生氧化就变成一氧化碳，就是两个一氧化碳加上一个氢，这是出来的这样一个东西，我们叫Feedstock,就是把它进去（发生反应）的这个东西，那么你要把它变成有用的油呢，你要把它变成一个碳两个氢，这个才能变成石油汽油这样一个东西。我们现在的方法是怎么做呢？

就是用一份氢气来，把这个氧拿走，拿走以后这个碳和氢连起来就变成碳氢这样的东西。另外一个一氧化碳干什么用呢？加了水，变成了氢气，变成了二氧化碳出来，这是我们现在做的这套方法。那我们这个方法现在是怎么做呢？就是这两个一氧化碳连在一起，把这个一氧化碳跟这个氧反应，变成了二氧化碳，接下来就是碳同氢，变成了CH2这个东西。

那么大家马上可以看出来，我这里面没有加上水，出来也没有水，出来的就是二氧化碳，这个地方出来也是二氧化碳，是一样的。所以我们这个构成不用水，也不产生水，所以领导很高兴。说你们包信和这个东西很重要，你们看能不能搞一个系列的煤转化的东西出来，这个李克强总理也知道，也在讲这个不用水，也是挺好的一件事，那我们也得想一个什么事呢，实际上不用水以外，它排出二氧化碳出来了，这个时候假如说能有一份甲烷在这里，有一份天然气在这里，这个甲烷跟二氧化碳一反应，就变成了氢，变成了这样一个氢气。出来以后，就是变成了一氧化碳同氢，也就是说你加了甲烷进去跟二氧化碳一反应，整个的过程不用水，不排水，不排二氧化碳，就是完全封闭的这样一个东西，所以我们现在就在看能不能做这个事。

综合起来我们现在做了这几个方法，一个就是把天然气直接用催化剂变成烯烃，还有就是煤容易气化，用我们这个催化剂直接就变成烯烃。也就是说我们实现了煤和天然气，不排任何东西情况之下，把它直接变成我们的化学品。

这个听上去就是很好的一件事，这个事情国家也很重视，中央台也报道过，领导也做了很多批示。最近我们跟工业上也在做这件事情。我也希望未来几年科大校长不做了，我要把这个时间跟大家一起来看看能不能把这个东西弄出来。现在大家知道成果转化，自己个人可以拿70%，我也是鼓动大家，你做这些基础研究做好了，你一定要做应用。虽然现在发表的文章很多，你若将来不做应用，最后还是被美国人掐在手里，所以国家为什么说科研人员可以拿70%，就是鼓励你要做这件事。

最后我从几大方面给大家讲讲中国科技大学。因为大家今天也在这里这么长时间，我也讲了差不多一个小时了 ，也允许我做一点点广告。中国科大1958年建的，中国科大建校的时候非常特别，就是我们党和国家为了两弹一星建的学校,所以自始自终一直是跟着国家目标走的。像建伟的量子这块，这个量子信息国家实验室等，都是国内几乎没有做的，我们科大做的好多东西几乎都是别人没有做的这样的东西。所以我们科大的历史是爱国奋斗创业的历史。

但是科大一直很有个性，1958年招生的时候是1900人的学生，我们到了2018年，招生的是1860个学生。也就是说60年时间没有扩招，到底是好还是坏，我们不去理论。而且我们这个地方，基本上就在合肥这样一个地方，原来是在北京，后面搬到合肥去了，上海这里我们就这么小小的一块。

你看好多大学在哪里没有几千亩地，我们没有，整个的科大还是这样。而且大家看到学生也都很少，我们一年招1860个学生，实际上我们招不到这些学生，我们大概1820个学生，毕业的时候更少了，因为还有些人毕业不了，大家不要吓坏了不去报科大，每个学校都有淘汰的，科大也有淘汰。

我们在校学生7000多人，什么概念呢？吉林大学一年是招一万一千人，四川大学一年招大约8000人左右，现在浙大大概一年招6000多人。也就是说我们科大四年的学生，几乎就是人家大学一年招的人，但是我们的老师也不少，这是我们的研究成果。 

因为时间关系，我没办法跟大家讲，大家看到这几个基本上都是建伟的东西，那我也不是因为建伟请我来我就讲这个东西，是因为他做了很多成果，当然除此之外我们还有一些东西，我今天也是让建伟高兴高兴。

确实大家知道总书记十九大报告当中，提了六件事，我们科大有两件。在新年献词当中，提了四件科技进展，我们科大有一件，量子计算机。包括这次总书记在两会做报告当中，我们科大大概有六七项都是总书记讲到的。我前面跟大家讲了我们教师质量很高，特别是年轻的教师，我们大概30%以上的教师都是有帽子的，大家现在说不要帽子，帽子还是要的，帽子没有也不行，就看帽子怎么带，不能戴太多帽子，我们30%以上的人都是有帽子的。

所谓帽子就是院士、杰青、优青，都是这样优秀的人，所以这个还是非常不错的。讲到大学评估，我们科大用了大概其他学校三分之一的力量，差不多三分之一的人，一直在国内基本上排到第三名到第五第六名之间，大家看到三分之一的人，而且在合肥这个地方，能够排到这个样子非常不容易，应该说大家还是很努力在做这个事。你看去年，2017年所有的加起来平均大概可以排到第四这个样子。

但是上海的学校复旦、交大都是在很高的位置上。所以坐在这里的小孩子，假如没有特别的情怀，谁要搞科学我要是让他离开上海到合肥去他是不去的，但是我今天在这里讲以后，就希望我们有几个小孩，能在未来有特殊的情怀，能到我们合肥去，到科大做我们的学生。

总书记对我们特别厚爱，去了三次，他认为科大这个地方是一个创新各方面特别好的地方。因为他的哥哥，就是我们科大的毕业生。总书记在科大讲了一件事，他说我知道大学最早的是中国科大，他那个时候刚刚上小学，晚上回来发现今天晚上吃得非常好，他就问今天晚上为什么家里吃得很好呢，他母亲就跟他讲你哥哥考上了中国科大，因为这个事情家里有好吃的，所以他当时在我们那里讲，他当时也在想以后我也要考中国科大，但是后来不考试了，就是推荐制了，就是另外一回事情了，所以总书记对中国科大特别友好。

科大今年是60周年校庆，是1958年（建校的），校庆是9月20号，我们有一个口号，叫红专并进一甲子，科教报国六十年。这是我们一直在做的这个事，那么我们也希望通过这个校庆，把凝聚力这方面能够提高。

耽误大家很多时间，一个小时多一点，给大家讲了这么多，我也不知道有用没有用，最起码有一点我很高兴，讲到现在，我看真的离开的人也不多，睡觉的人也不多，还是在盯着这个事情在看的。

我能来讲这个故事，我要感谢很多人，特别是我在大连有这么一个团队，大概有六七十个人。大家看到做科研是很不容易的，冷板凳，都是十年二十年做一个东西出来，我每一张图来讲，没有一个学生做几年的工夫，是没有这张图出来的。

所以我每年做报告，大概就增加个一两张、两三张图这样子，都有几十个人做才有一两张图这个样子，所以科学家也不是这么好当的。欢迎大家批评指正，也是欢迎大家有机会到科大去看看，不一定到科大那里读书，最起码看一看，我们交流交流讨论讨论，也是很高兴的事，谢谢大家！

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