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作者 | 鄭南峰

大家覺的化妝品、日用品、醫(yī)藥、染料在生活中離得開嗎？當(dāng)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(huì)忐忑，因?yàn)樗鼈兌际恰盎ぁ碑a(chǎn)品，這就是我們今天要講的“化工”?！盎ぁ睍?huì)產(chǎn)生污染，比如固體廢棄物、水污染和霧霾，大家想到這些就會(huì)反感。

其實(shí)通過技術(shù)的進(jìn)步，我們是可以解決這些問題的。

我們不應(yīng)該把能改進(jìn)自身生活水平的東西排斥在外，否則我們的生活水平就會(huì)倒退很多年。其實(shí)，不僅僅搞金融的有經(jīng)濟(jì)、搞產(chǎn)業(yè)的有經(jīng)濟(jì)，搞化學(xué)的也有經(jīng)濟(jì)，這就是原子經(jīng)濟(jì)性。下圖是一個(gè)含有A、B、C三個(gè)組分的化合物，我們最希望是A和BC化合物反應(yīng)，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(jīng)濟(jì)性?？墒呛苓z憾地告訴大家，現(xiàn)實(shí)中我們做不到，為了得到ABC，通常需要把BC組分通過一個(gè)D組分活化，活化后才能做出ABC?？墒沁@個(gè)D成了什么？很有可能就成為副產(chǎn)物、成為污染物。我們化學(xué)家的夢(mèng)想，就是希望能夠把副產(chǎn)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(zhǔn)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(nóng)藥都含氮。自然界里面，有非常漂亮的固氮過程，雷聲一響，氮?dú)饩妥兂闪说趸衔镞M(jìn)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?dú)庾兂砂?，然后慢慢進(jìn)入整個(gè)食物鏈。在一些動(dòng)物的生命結(jié)束之后，自然界又用很多細(xì)菌把它代謝掉，氮就可以循環(huán)起來，這是在非常低的溫度下實(shí)現(xiàn)的。

在上個(gè)世紀(jì)，有一個(gè)非常漂亮的固氮酶體系，可以進(jìn)行人工固氮，其中最關(guān)鍵的在于它能對(duì)空氣中的氮?dú)膺M(jìn)行轉(zhuǎn)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(shí)都是從氮?dú)鈦淼?，可是氮?dú)馐欠浅６栊缘奈镔|(zhì)，必須要把它活化才能發(fā)生反應(yīng)。所以人工固氮體系，就是利用氫氣，和活化的氮?dú)夥肿咏Y(jié)合，最后得到氨。如何活化氮?dú)夥肿幽兀?/span>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?dú)膺€是氮?dú)?，沒辦法把它活化掉。那么為什么上個(gè)世紀(jì)我們能夠發(fā)展出這樣一個(gè)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?dú)獾脑映堕_了、氫氣的原子扯開了，這時(shí)候它就可以開始反應(yīng)了，這就是催化劑的魔力。比如，珠穆朗瑪峰估計(jì)沒幾個(gè)人能爬過去，這就好比合成氨反應(yīng)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(zhì)活化，活化之后它就可以把能壘降低，反應(yīng)就可以在比較溫和的條件下實(shí)現(xiàn)。

事實(shí)上合成氨催化劑的研究，一共獲得三次諾貝爾獎(jiǎng)，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(huán)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(yīng)，這個(gè)六元環(huán)是個(gè)苯環(huán)，我可以通過硝酸在苯環(huán)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(gè)人基本上都會(huì)用到撲熱息痛，撲熱息痛的生產(chǎn)過程中有一步就是要把硝基變成氨基，在最早期的生產(chǎn)工藝?yán)?，大家用的是鐵粉，鐵是廉價(jià)的，我可以利用鐵粉把硝基里面的氧拿出來，再把氫放進(jìn)去?？墒峭ㄟ^這種工藝生產(chǎn)一噸撲熱息痛的中間體，會(huì)產(chǎn)生六噸鐵泥（固廢）。在2011年的時(shí)候，國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)了一個(gè)文件，說要淘汰這些生產(chǎn)工藝。其實(shí)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(chǎn)物就是水。在這個(gè)過程當(dāng)中，我們就需要用到新型催化劑。

在催化劑應(yīng)用過程中，還需要解決選擇性問題。在座各位應(yīng)該對(duì)響水爆炸事件多少有些耳聞，這個(gè)事件是新中國(guó)成立以來最大的化工爆炸事件。其實(shí)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(gè)硝基，那就是TNT炸藥了。大家可能會(huì)覺得非常簡(jiǎn)單，不就是把兩個(gè)硝基變成兩個(gè)氨基嗎？可是我很遺憾的告訴大家，真的挺難的。

這兩個(gè)硝基需要同時(shí)變成氨基，可是有時(shí)候會(huì)只變一個(gè)，而且有時(shí)候不會(huì)直接變成氨基，還容易變成羥胺。這會(huì)有什么問題呢？如果只有一個(gè)氫化，它可能馬上跟另外一個(gè)分子反應(yīng)，產(chǎn)生焦油。大家在朋友圈可能經(jīng)?？吹剑f哪里的固廢發(fā)生了著火，其實(shí)就是因?yàn)楫a(chǎn)生了大量副產(chǎn)物，囤放在企業(yè)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(dāng)然這個(gè)事件的原因，我們現(xiàn)在還沒有辦法完全知道，但是多少是跟這個(gè)有關(guān)的。

這起爆炸事件，現(xiàn)在產(chǎn)生的后果還是蠻嚴(yán)重的，很多化工園區(qū)被關(guān)掉了。與此同時(shí)，產(chǎn)品價(jià)格攀升，為什么？因?yàn)槲覀兠恳惶斓纳疃茧x不開它。這些產(chǎn)品都是我們中國(guó)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(gè)工業(yè)鏈條都是斷的。所以其實(shí)我們真正要做的是通過技術(shù)的進(jìn)步，來推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

催化劑有三大催化劑，剛才提到的生物固氮體系，其實(shí)就是生物酶體系。

除此之外，人工催化體系中，有一個(gè)叫均相催化劑，現(xiàn)在用的最多的是氫甲?；木啻呋瘎Ｋ鍪裁词虑槟?？這里有一個(gè)碳鏈，我可以讓這個(gè)碳鏈上面再增加一個(gè)碳鏈，因?yàn)樗窟@個(gè)中心，可以把一氧化碳、氫氣活化，而一氧化碳上面有一個(gè)碳，它就可以往這個(gè)鏈上一直加。這是目前做的最多的均相催化反應(yīng)，生物體系里面當(dāng)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(jié)構(gòu)都完全確定，所以反應(yīng)都是量身定做的。而且這個(gè)體系的好處就是，反應(yīng)物（下圖：藍(lán)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?？墒枪I(yè)界不喜歡它，因?yàn)樗芙庠谒?，不能撈出來再用，即便撈出來，也要浪費(fèi)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(huì)選擇多相催化劑，也就是催化中心在固體上面，這樣反應(yīng)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(gè)載體上面，而且它的比表面積很大，比表面積大就可以負(fù)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(jīng)濟(jì)性特別好。而且它很穩(wěn)定，很容易回收?？墒撬牧觿?shì)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(jī)理就像一個(gè)黑箱子一樣不清楚，機(jī)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(gè)做法就是把活性組分做的越來越小，很多化學(xué)反應(yīng)都是在表面的反應(yīng)，如果拿一塊黃金，可能很難反應(yīng)，可是如果把它切的非常細(xì)小，甚至是納米顆粒，很多新的性質(zhì)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(xiàn)象就發(fā)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(yīng)。其實(shí)不僅僅是尺寸效應(yīng)，把這些顆粒做成不同的形狀，它也有不同的效應(yīng)，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(yīng)很多很多。

下面給大家舉個(gè)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(gè)亮點(diǎn)就是一個(gè)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(shù)水平，現(xiàn)在我們不僅僅看到了這些顆粒，還看到了這個(gè)顆粒長(zhǎng)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(gè)原子或者幾個(gè)原子堆疊在一起。

我們二十年前一直以為當(dāng)時(shí)看到的那些納米顆粒就是真實(shí)的催化中心。但是眼見一定為實(shí)嗎？

如果我用化學(xué)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(gè)催化劑，就什么亮點(diǎn)都看不到了?？墒牵@個(gè)時(shí)候我再做一個(gè)原來的反應(yīng)——水煤氣變換反應(yīng)，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(shí)對(duì)于化學(xué)家而言，眼見不一定為實(shí)。因?yàn)槲覀內(nèi)狈σ粋€(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)上面的結(jié)構(gòu)，有頂點(diǎn)、有棱、有面，在這上面反應(yīng)一樣嗎？從化學(xué)的角度來講應(yīng)該是不一樣的，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特征完全不同。這就意味著也許在它的頂點(diǎn)，產(chǎn)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(chǎn)生了污染。

講完這個(gè)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(guān)聯(lián)起來，但沒有一個(gè)真正有效的手段能夠直接看到到底是什么在發(fā)揮作用。

為了突破瞎子摸象的情況，在過去幾十年我們科學(xué)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(gè)非常規(guī)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(jié)論：這個(gè)表面最好，那個(gè)表面不好，以后你要做，就做這個(gè)表面。這就是基于表面科學(xué)的研究。

這個(gè)研究雖然在2007年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但是還是被詬病的。因?yàn)樵趯?shí)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(cè)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(xué)研究出來的結(jié)果在實(shí)際體系里面不一定適用。還有就是，表面科學(xué)研究中用的單晶催化劑比表面積非常小，但是在實(shí)際體系里面催化劑的金屬比表面積是非常大的。表面科學(xué)研究中為了檢測(cè)物質(zhì)在非常小的比表面積上相互作用的方式，通常會(huì)用到高真空的技術(shù)，可是實(shí)際應(yīng)用的催化劑，都是在常壓甚至在高壓情況下反應(yīng)的。所以存在兩個(gè)鴻溝。

因?yàn)榧{米材料的出現(xiàn)，所以人們就發(fā)展了第二種策略，做成一模一樣的催化劑。比如說，這個(gè)催化劑里面全是長(zhǎng)成這樣子的納米顆粒，另外一個(gè)催化劑是另一個(gè)樣子，讓這兩種樣子的催化劑去催化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)第一種催化劑效果特別好，就可以說明這個(gè)反應(yīng)里面這個(gè)樣子的催化劑是最好的。采用這樣一個(gè)策略，比如楊培東老師的一個(gè)工作，楊培東老師對(duì)二氧化碳的轉(zhuǎn)化特別感興趣，他會(huì)用到二氧化碳轉(zhuǎn)化的一個(gè)催化劑，這個(gè)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(xué)品。但是在水里面，這個(gè)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(fā)現(xiàn)排列情況影響到它的性能，這很漂亮，它就排除了尺寸效應(yīng)，就告訴你只跟排列有關(guān)。

我們組做了很多工作，是圍繞著“在納米材料表面修飾有機(jī)物，使反應(yīng)更有選擇性、更綠色”。 剛才提到這樣一個(gè)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(gè)材料每一個(gè)亮點(diǎn)都是一個(gè)金屬原子，但是其實(shí)它表面還有一層有機(jī)物，但因?yàn)殡娮痈南嗷プ饔煤苋?，所以它?duì)電子是透明的，也就是說材料表面的有機(jī)物我們通過電子顯微鏡看不到，但我們可以想象。就像一個(gè)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?yàn)橥饷孢@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(gè)在工業(yè)上面已經(jīng)應(yīng)用的例子。（下圖）左邊這個(gè)化合物，是六元環(huán)上面有一個(gè)硝基，這個(gè)硝基是從硝酸過來的，上面還有兩個(gè)綠的基團(tuán)，我們?cè)诎严趸兂砂被耐瑫r(shí)不能讓這個(gè)綠的基團(tuán)脫掉。綠的基團(tuán)一旦脫掉，比如千分之一脫掉了，它的價(jià)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(chǎn)品了。那么怎么能把氫氣加上去，而避免綠色基團(tuán)脫掉呢？其實(shí)用的就是剛才給大家講的刺猬策略。

大家看（下圖）這個(gè)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(gè)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(gè)氫氣分子可以變成兩個(gè)質(zhì)子，兩個(gè)電子。這個(gè)過程很重要，因?yàn)樵谧匀唤绲拇_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(gè)氫氣會(huì)變成兩個(gè)氫原子，或者是變成帶正電荷的質(zhì)子和帶負(fù)電荷的氫負(fù)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(zhì)子，“樹”可以作為質(zhì)子的泵和管道，把質(zhì)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(shí)現(xiàn)了硝基的氫化又不讓綠的基團(tuán)脫掉。

這么簡(jiǎn)單的策略，現(xiàn)在企業(yè)已經(jīng)用的蠻多的?，F(xiàn)在這些產(chǎn)品其實(shí)都是用我們這樣的策略做出來的，做出來的材料品質(zhì)很高，污染物也很少，也特別感謝現(xiàn)在國(guó)家大項(xiàng)目的支持，能夠讓我們搞基礎(chǔ)研究的科研工作者跟企業(yè)抱在一起，真正了解企業(yè)的需求。

通過這個(gè)例子，我也希望說服大家，我們真的需要通過技術(shù)創(chuàng)新，讓我們的化工生產(chǎn)更綠色，因?yàn)槲覀冋娴碾x不開化工給我們帶來的好處。同時(shí)，化工生產(chǎn)中會(huì)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(gè)黑箱慢慢打開，可以知道這里面到底哪些因素會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)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(mèng)想就是，在未來我們的化工不再有污染，但我知道實(shí)現(xiàn)這樣的夢(mèng)想是很難的。作為一個(gè)化學(xué)工作者，我當(dāng)年回國(guó)的時(shí)候，楊培東老師說國(guó)內(nèi)有大把的機(jī)會(huì)，因?yàn)橹袊?guó)特別需要技術(shù)，我們整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要這些技術(shù)。所以，我也希望自己這些基礎(chǔ)研究的結(jié)果，最后能夠在產(chǎn)業(yè)里面得到應(yīng)用。我覺得我們的國(guó)家的確有大量的機(jī)會(huì)，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(xué)化學(xué)系學(xué)士學(xué)位。2005年于美國(guó)加州大學(xué)河濱分校化學(xué)系獲得博士學(xué)位，師從Prof. Pingyun Feng。博士論文研究方向是硫化物納米團(tuán)簇及其超結(jié)構(gòu)的合成與表征。2005-2007年，在美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校Prof. Galen D. Stucky課題組擔(dān)任研究助理，研究金催化。2007年，應(yīng)聘為廈門大學(xué)教授。目前是廈門大學(xué)的長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授。已獲得諸多殊榮：2004年獲美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)的優(yōu)秀研究生獎(jiǎng)，2006年獲美國(guó)化學(xué)會(huì)的無機(jī)杰出青年科學(xué)家獎(jiǎng)，2009年獲國(guó)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(guó)化學(xué)會(huì)—約翰威立出版公司青年化學(xué)論文獎(jiǎng)，2010年獲中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)家獎(jiǎng)，2012年獲霍英東教育基金會(huì)杰出青年教師獎(jiǎng)，2011、2012年獲日本化學(xué)會(huì)Distinguished Lectureship Award，2013年獲東京大學(xué)Zasshi-kai Lectureship，2014年獲第四屆中國(guó)化學(xué)會(huì)-英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)，2016年獲中國(guó)優(yōu)秀青年科技人才獎(jiǎng)。于2012年入選中組部青年拔尖人才支持計(jì)劃，2013年入選中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。目前擔(dān)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(jìn)功能材料的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用，尤其在催化和生物領(lǐng)域。他的目標(biāo)是在分子水平上更深入理解功能納米材料的合成、性質(zhì)和應(yīng)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(xué)，具有生物和催化應(yīng)用的多級(jí)納米材料，以及納米團(tuán)簇化學(xué)。

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

來源 |  本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“墨子沙龍”（ID：MiciusSalon）