Джан Тао
Като невидими двигатели на съвременната химия, катализаторите спомагат за производството на бензин, който задвижва колите, торове, които насърчават отглеждането на храна и полимери, използвани за направата на дрехи, което ги прави незаменими за съвременния живот.
Повече от век обаче химическата индустрия е изправена пред скъпо струващо препятствие. Най-ефективните му катализатори разчитат на редки и скъпи благородни метали като платина и паладий, които са дори по-ценни от златото. В конвенционалните индустриални процеси тези метали се използват под формата на наночастици или клъстери, оставяйки голям процент от металните атоми заровени вътре в материала и неспособни да участват в химични реакции. В резултат на това по-голямата част от благородния метал се губи.
След десетилетия изследвания Джан Тао, академик на Китайската академия на науките, и неговият екип предложиха концепцията за едноатомна катализа през 2011 г. Вместо да се използват групи от метални атоми, подходът разпръсква отделни метални атоми по повърхността на поддържащ материал, позволявайки на всеки атом да действа като активно място, където протичат химични реакции.
Това увеличава използването на атоми от благороден метал от само няколко процента до почти 100 процента.
Пробивът е демонстриран за първи път с помощта на метали от платиновата група и оттогава е разширен до повече от 40 елемента в периодичната таблица. Като признание за фундаменталния си принос към изследването на катализата, работата получи първата награда на Държавната награда за природни науки в Пекин в сряда.
„Определящата характеристика на едноатомния катализ е, че ни позволява да изучаваме каталитични реакции на ниво отделни атоми, а не на по-големи частици“, каза Джан, който също е професор в Далианския институт по химическа физика на CAS.
„Чрез теоретични изследвания ние обяснихме защо катализата с един атом остава стабилна и как се държат по време на химични реакции“, каза Ли Джун, член на екипа, който също е академик на CAS и професор в университета Цинхуа.
„Това промени изследването на катализатора от разчитане до голяма степен на опити и грешки към проектиране на катализатори, базирани на научно разбиране“, добави Ли.
Джан каза, че новото разбиране има широко приложение и е предизвикало световен интерес към превръщането на концепцията в практически технологии, вариращи от фармацевтичното производство до производството на фини химикали. Хиляди изследователски групи от близо 100 държави и региони са публикували повече от 20 000 академични статии по темата.
„Това не е просто академично занимание, а стратегически отговор на националните нужди“, каза Джан. „Осигуряването на независим контрол върху основните каталитични технологии е жизненоважно за нашата енергийна сигурност и химическата индустрия.“
Зад постижението се крие десетилетен път от теория до практическо приложение.
Когато Джан за първи път предложи концепцията в докторската си дисертация през 80-те години на миналия век, технологията, необходима за потвърждаването й, не съществуваше.
„В началото имахме идеята, но нямаше начин да я реализираме“, каза Джан. „Имаше чувството, че слон стои точно пред теб, но в черния мрак, без фенерче и с пътека, задръстена от бурени, той остава невидим.“
Техническите ограничения на времето направиха работата много по-трудна. Произведеният в страната хроматограф, използван от екипа, беше основен и засегнат от сериозни колебания на сигнала, докато прекъсванията на електрозахранването бяха често срещани.
„Често, точно когато се канехте да съберете окончателните данни, захранването премигваше, изтривайки работата за целия ден“, каза Джан. Той често прекарваше дни в лабораторията, спяйки на сламена постелка на пода, докато чакаше оборудването да произведе стабилни данни.
Джан каза, че решимостта му е оформена отчасти от ранните му преживявания в планините. Роден през 1963 г. в Ankang, в планината Qinba на провинция Shaanxi, той се завръща в родния си град, за да преподава в гимназия след дипломирането си. Воден от силна страст към научните изследвания, по-късно той решава да продължи следдипломно обучение.
„Преподавах през деня и се подготвях за кандидатстудентските си изпити на лампа през нощта, увит в дебело палто с памучна подплата и валенки, за да се стопля през зимата“, каза той. Опитът го научи на самодисциплина, независимост и постоянство, качества, които по-късно му помогнаха да преодолее повтарящите се неуспехи в научните изследвания.
Той подчерта и значението на интердисциплинарното сътрудничество. Джан ръководи разработването и тестването на катализаторите, свързвайки теоретичните изследвания с практическите приложения, докато Ли, теоретичен химик, разработи научната рамка, обясняваща защо единичните атоми остават стабилни и как управляват химичните реакции.
„С напредъка в областта на изкуствения интелект и компютърната симулация сега използваме нашето разбиране за тези активни сайтове, за да проектираме и идентифицираме по-добри катализатори по-ефективно“, каза Джан. „Очаква се комбинацията от фундаментални изследвания и нови технологии да подпомогне развитието на нова енергия и по-екологично химическо производство в световен мащаб.“