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來源: 發布時間:2022-7-14 1:37:14
科技促進產業發展

利用納米限域的單鐵催化劑實現天然氣直接制乙烯

   隨著世界范圍內富含甲烷的頁巖氣、天然氣水合物以及生物沼氣等的發現與開采,以儲量相對豐富和價格低廉的天然氣替代石油生產基礎化學品,成為了學術界和產業界研究和發展的重點。但甲烷分子的選擇活化和定向轉化是一個世界性難題,被譽為化學領域的“圣杯”。

   2014年,中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員包信和團隊基于“納米限域催化”的新概念,創造性地構建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑,成功實現了甲烷在無氧條件下的選擇活化,一步高效生產重要基礎化工原料乙烯以及芳烴和氫氣等高值化學品。在1090℃條件下,甲烷單程轉化率達48%,乙烯和芳烴選擇性大于99%,反應過程本身實現了二氧化碳的零排放。這一成果從理論上實現了甲烷分子碳氫鍵的高效選擇活化,在應用上徹底摒棄了二氧化碳高排放和高耗水的合成氣制備過程,實現了天然氣的無氧直接轉化制高值化學品。

   相關研究論文2014 年5月9日在《科學》雜志發表后,《德國應用化學》迅速組織了專題評述,國內外14家科學雜志和新聞媒體以“改變世界的技術”為題進行了報道!

 

開創煤制烯烴新捷徑

   烯烴是與人們日常生活息息相關的重要化學品。我國是烯烴消費大國,其傳統的生產原料主要依賴石油,這不僅使烯烴的生產成本居高不下,同時也嚴重危及到了我國的能源安全。

   2016年,中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員包信和及潘秀蓮研究團隊從納米催化的基本原理入手,開發出了一種過渡金屬氧化物和有序孔道分子篩復合催化劑,成功實現了煤基合成氣一步法高效生產烯烴,C2到C4低碳烯烴單程選擇性突破了費托過程的極限,一躍超過80%。同時,反應過程完全避免了水分子的參與。該成果在納米尺度上實現了對分別控制反應活性和產物選擇性的兩類催化活性中心的有效分離,使在氧化物催化劑表面生成的碳氫中間體在分子篩的納米孔道中發生受限偶聯反應,成功實現了目標產物隨分子篩結構的可控調變。

   相關研究論文2016年3月4日發表在《科學》雜志上!犊茖W》同期以“令人驚奇的選擇性”為題刊發了專家評論和展望,稱贊該研究在原理上的突破將帶來在工業上的巨大競爭力。該研究被產業界同行譽為“煤轉化領域里程碑式的重大突破”!

 

煤制乙醇開創國際“煤代糧”先河

   乙醇是世界公認的優良汽油添加劑,對節能減排意義重大。國家能源優化利用、節能降耗和保障糧食安全的需要,讓中國工程院院士劉中民瞄準煤制乙醇這一極富挑戰且應用前景廣闊的技術。

   2012年,劉中民帶領團隊與陜西延長石油集團聯合開展“合成氣制乙醇整套工藝技術”項目研發工作。2014年啟動了“10萬噸/年合成氣制乙醇工業示范”項目。2017年3月,采用中國科學院大連化學物理研究所和陜西延長石油集團共同研發的、具有我國自主知識產權技術的煤基乙醇工業化項目——陜西延長石油集團“10萬噸/年合成氣制乙醇工業示范”項目打通全流程,生產出合格的無水乙醇,主要技術指標達到國際領先水平。2017年12月,采用該技術的“50萬噸/年合成氣制乙醇(DMTE)裝置技術許可合同”在陜西省人民政府簽訂。

   煤基乙醇工業化示范項目成功投產,在世界范圍內首開先河,占據了技術制高點,奠定了我國煤制乙醇技術及工業化的國際領先地位。這一新技術的應用,將有效彌補石油資源不足,緩解我國燃料乙醇對糧食的依賴,為我國的能源安全和糧食安全提供有力保障,對我國供給側結構性改革以及發展新興戰略產業具有重大戰略意義!

 

培育出超高產優質“巨型稻”

   2017年10月16日,由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員夏新界領銜的水稻育種團隊宣布,歷經十余年研究,團隊培育出超高產優質“巨型稻”:株高可達2.2米、畝產可達800千克以上,具有高產、抗倒伏、抗病蟲害、耐淹澇等特點。經原農業部植物新品種測試中心DNA指紋檢測,以及華智水稻生物技術有限公司56k水稻SNP基因芯片指紋圖譜檢測,確認“巨型稻”是一種水稻新種質材料。

   “巨型稻”是在現有優異種源的基礎上,運用突變體誘導、野生稻遠緣雜交、分子標記定向選育等一系列育種新技術,獲得的擁有完全自主知識產權的水稻新種質材料,其具有突出的高產、強抗等顯著優勢。“巨型稻”莖稈粗壯,直徑可達18.5毫米,葉片蠟質和角質層厚,具有抗倒伏、抗病蟲害、耐淹澇等特點。這種“巨型稻”光合效率高,單位面積生物量比現有水稻品種高出50%,平均有效分蘗40個,單穗最高實粒數達500多粒,單季產量可超過800千克/畝。

   中國工程院院士、著名水稻專家袁隆平曾表示:“這是一種非常好的新種質材料,具有很高的生物量,未來還需要努力提高收獲指數。”■

 

國內首款云端人工智能芯片發布

   智能芯片是前沿科技和社會關注的熱點,也是人工智能技術發展過程中不可逾越的關鍵環節?梢哉f,不論有怎樣領先的算法,要想最終應用,都必須通過芯片實現。

   2018年5月3日,中國科學院旗下的寒武紀科技公司發布我國自主研發的Cambricon MLU100云端智能芯片和板卡產品、寒武紀1M終端智能處理器IP產品。這款國內首個云端人工智能芯片,理論峰值速度達每秒128萬億次定點運算,達到世界先進水平。

   MLU100云端智能芯片采用寒武紀最新的MLUv01架構和TSMC 16nm的先進工藝,可工作在平衡模式(1GHz主頻)和高性能模式(1.3GHz主頻)下,平衡模式下的等效理論峰值速度達每秒128萬億次定點運算,高性能模式下的等效理論峰值速度更可達每秒166.4萬億次定點運算,但典型板級功耗僅為80瓦,峰值功耗不超過110瓦。

   與寒武紀系列終端處理器一樣,MLU100云端芯片仍然延續了寒武紀產品一貫出色的通用性,可支持千萬量級用戶的大規模商用檢驗,搭載各類深度學習和經典機器學習算法,充分滿足視覺、語音、自然語言處理、經典數據挖掘等領域復雜場景下(如大數據量、多任務、多模態、低延時、高通量)的云端智能處理需求!

 

研制出用于腫瘤治療的智能型DNA納米機器人

   利用納米醫學機器人實現對人類重大疾病的精準診斷和治療是科學家們追逐的一個偉大夢想。2018年,國家納米科學中心聶廣軍、丁寶全和趙宇亮研究組與美國亞利桑那州立大學顏灝研究組等合作,在活體內可定點輸運藥物的納米機器人研究方面取得突破,實現了納米機器人在活體(小鼠和豬)血管內穩定工作并高效完成定點藥物輸運功能。

   研究人員基于DNA納米技術構建了自動化DNA機器人,在機器人內裝載了凝血蛋白酶——凝血酶。該納米機器人通過特異性DNA適配體功能化,可以與特異表達在腫瘤相關內皮細胞上的核仁素結合,精確靶向定位腫瘤血管內皮細胞;并作為響應性的分子開關,打開DNA納米機器人,在腫瘤位點釋放凝血酶,激活其凝血功能,誘導腫瘤血管栓塞和腫瘤組織壞死。這種創新方法的治療效果在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及原發肺癌等多種腫瘤中都得到了驗證。同時,小鼠和Bama小型豬實驗顯示,這種納米機器人具有良好的安全性和免疫惰性。

   上述研究表明,DNA納米機器人代表了未來人類精準藥物設計的全新模式,為惡性腫瘤等疾病的治療提供了全新的智能化策略!

 

水稻分子設計育種取得新進展

   2018年9月18日,在國審稻新品種“中科804”現場會上,“中科804”從3000畝示范片中脫穎而出,在產量、抗稻瘟病、抗倒伏等農藝性狀方面均表現突出。

   針對東北地區最主要的優質米品種稻花香在生產中所遇到的問題,中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊與中國水稻研究所錢前研究組、中國科學院北方粳稻分子育種聯合中心張國民研究組聯合,以優異稻米品質基因、抗倒伏和抗稻瘟病等基因為主線,結合高產及理想株型基因等,運用分子模塊設計育種的理念和技術,經過精心設計,育成具有優質、高產、抗稻瘟病和抗倒伏的“中科804”以及“中科發”系列粳稻新品種。

   作為成功利用“水稻高產優質性狀形成的分子機理及品種設計”理論基礎與品種設計理念育成的標志性品種,“中科804”和“中科發”系列水稻新品種實現了高產優質多抗水稻的高效培育。“水稻高產優質性狀形成的分子機理及品種設計”研究成果于2017年獲國家自然科學獎一等獎。“中科804”作為從科學理論到生產實踐的典型范例,將給予品種設計育種研究領域新的啟迪,極大推動作物傳統育種向高效、精準、定向的分子設計育種轉變!

 

異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破

   中國科學院種子創新研究院/遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊首次提出異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略,旨在最終培育出新型多倍體水稻作物,從而大幅提升糧食產量并增加作物環境變化適應性。相關研究成果2021年2月4日發表于《細胞》雜志。

   李家洋提出的異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略“藍圖”的第一階段是在全球范圍內收集并篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻底盤種質資源。第二階段,研究團隊歷時近4年突破了三大技術瓶頸,建立野生稻快速從頭馴化技術體系,包括高質量參考基因組的繪制和基因功能注釋、高效遺傳轉化體系和高效基因組編輯技術體系。第三階段為品種分子設計與快速馴化,包括重要農藝性狀基因注釋及基于基因組信息的品種分子設計、重要農藝性狀基因的功能驗證、多基因編輯和聚合以及田間綜合性狀評估等。

   研究人員還進一步驗證了這一設想的可行性,他們注釋了栽培稻中10個馴化基因及113個重要農藝性狀基因在異源四倍體野生稻中的同源基因,系統分析其同源性,并進一步對控制落粒性、芒長、株高、粒長、莖稈粗度及生育期的同源基因進行了基因編輯,成功創制了落粒性降低、芒長變短、株高降低、粒長變長、莖稈變粗、抽穗時間不同程度縮短的各種基因編輯材料!

 

 

《科學新聞》 (科學新聞2022年6月刊 封面)
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