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催化世界里的坚守

  文章加入时间:2016年6月


  今年1月份,中科院院士包信和获得了2015年度中国科学院杰出科技成就奖。中科院院长白春礼向包信和颁发了荣誉证书。《中国科学报》记者想跟包信和约一个采访,他回复了一个致歉的短信:“年前工作日程安排已满,年后我们再联系。”直到2月24日,《中国科学报》记者接到包信和的电话:“我们约在晚上6点可以吗?”这个采访从预约到见面,隔了一个多月。
  过去的一年里,包信和还收获了周光召基金会颁发的“基础科学奖”,他在接受《中国科学报》记者采访时说:“看得见的是荣誉证书,看不见的是我们研究组在催化研究领域的多年坚守。”
  天然气高效利用的新途径
  催化剂是改变反应物化学反应速率(既能加快也能减缓)、而其本身的质量和化学性质在反应前后不发生改变的物质。就好像“有情有义的一对情人,往往需要媒婆来推进一下,走向婚姻殿堂的进程就能加快,催化剂在化学反应里也有此功效。”包信和形象地解释道,“所以催化剂又往往被俗称为触媒。”
  大多数化工过程都是催化过程。今天,不管我们喜欢不喜欢,我们的生活几乎离不开化工产品。我们日常用的塑料、纤维、建筑材料等等都是经催化过程得到的产物。
  通常,这些化工产品都来自于石油。由石油经催化裂解反应提炼出烯烃,再生产出其他下游产品。因此,烯烃,特别是乙烯是现代工业最重要的原材料之一。
  近年来,我国的乙烯工业发展迅猛,已成为仅次于美国的世界第二大乙烯生产国。但是与国际上烯烃主要生产国(美国和中东国家)通过低碳烷烃生产烯烃相比,我国的烯烃主要由石油炼制获得的中间馏分石脑油生产,成本居高不下,环境压力很大。
  随着能源和环境问题的凸显,探索高效环保的催化反应过程已经不仅关系到民生,而且关系到国家安全。当前,用储量相对丰富、价格低廉的天然气替代石油,生产液体燃料和基础化学品,已成为学术界和产业界研发重点,科研人员一直在探索天然气直接转化利用的有效方法与过程。从甲烷制备乙烯的工艺路线,至今仍被视为化学领域的不可攻克的难题。
  2014年,包信和研究组在甲烷高效转化相关研究中获重大突破,实现了由甲烷直接高效生产乙烯、芳烃和氢气等化学品。该项科研成果通过《专利合作条约》的专利申请渠道,进入美国、俄罗斯、日本、欧洲和中东等国家和地区,同年,这项成果也在美国《科学》杂志上发表,引起学术界和工业界的很大反响。德国化工企业巴斯夫集团副总裁穆勒认为,这是一项“即将改变世界”的新技术,将为天然气、页岩气在未来的高效利用开辟一条全新的途径。
  1000小时的突破,20年的守候
  天然气的主要成分是甲烷。据包信和介绍,现有的甲烷转化途径通常采用“二步法”:首先在高温条件下,通过混合氧气、二氧化碳或水蒸气,将甲烷分子重整为含一定比例的一氧化碳和氢气分子的合成气体;随后,用特定的催化剂将合成气体转化为高碳的烃分子,包括乙烯等。
  这一传统方法路线长,投资和消耗高,另外,由于采用了氧分子作为甲烷活化的助剂或介质,过程中不可避免地要形成和排放大量温室气体二氧化碳。
  早在20多年前,中科院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)就提出不用氧进行甲烷转化的“无氧活化”的概念。1995年,包信和带领团队开始“无氧活化”的攻坚。
  他告诉记者:“曾有过一段艰难的时期,我们的研究方向被认为是冷门,但大家并没有放弃。”经过不懈坚持,在甲烷催化转化研究的基础上,研究组基于“纳米限域催化”的新概念,创造性地构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂,突破了原有技术的瓶颈,实现了甲烷在无氧条件下的选择活化,一步生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品。
  与甲烷转化的传统路线相比,这项研究摒弃了高耗能的合成气制备过程,不仅缩短了工艺路线,还在反应过程中本身实现了二氧化碳的零排放,碳原子利用效率大于99%。
  中外多家能源和化学企业都对这一产业变革性技术表现出极大兴趣。中科院院长白春礼也十分关心,希望将应用基础研究的成果尽快转化为生产力。研究组前期已经完成了这一过程的60小时实验室试验,发现该催化剂保持了极好的稳定性。但是对工业化来说这是远远不够的,合作企业要求有长时间寿命测试结果。“年前我们就开始了催化剂1000小时的寿命评价试验,近两个月的时间,正好遇上了春节。”包信和告诉记者。
  春节7天长假,在大连化物所的实验室里,纳米与界面催化研究组的科研人员依然轮番坚守在工作一线。白天夜里两班岗,每班两个人,“保证了试验的顺利完成,却让研究组里不少人错过了与家人团聚的机会,特别感谢团队成员和他们的家人”。
  “这一刻我们等了20年。”包信和说,“目前,催化试验已经正常运行超过1000小时,我们现在已经与中石油和沙特的SABIC公司组建了合作团队,下一步我们会将这项甲烷制乙烯技术交给企业,进行共同开发。”
  多年来,包信和研究组在该研究领域没有发表一篇论文,他称:“这期间,特别是获得初步突破以后,我们一直在不断推翻自己,早几年的科研结论会在后来被发现存在瑕疵而被否决。”
  包信和指出,不发论文也是对科学的一种负责态度,但是就是苦了一批从事这一工作的学生和博士后,为了毕业,他们只能在外围的相关方面发一些不涉及“机密”的文章。
  挑战与使命
  2015年9月,经中科院推荐,教育部党组任命,包信和出任复旦大学常务副校长。
  1978年,包信和考入复旦大学。1989年,他离开学习工作11年的复旦大学来到德国柏林,在德国洪堡基金会的资助下,师从表面催化学科的创始人之一、2007年诺贝尔化学奖得主埃尔特(Ertl)教授,从事金属催化剂的表面研究。
  回国后,包信和来到了大连化物所。在大连化物所的20年里,在中科院和大连化物所几届领导和学界前辈们的支持与帮助下,他被推举为“973”计划项目“天然气、煤层气优化利用的催化基础”的首席科学家,在项目组成员共同努力下,取得了“甲醇制烯烃”“煤制油”“天然气制芳烃”等一系列成果。
  这些年来,包信和带领的科研团队一直在催化领域默默耕耘,发表的论文数量不算很多,但论文质量还是蛮“漂亮”的。对于“漂亮”一词,包信和认为用英文perfect一词更形象。
  今天,重返校园的包信和,对于自己身份的转变,他看作是又一次挑战。尽管包信和在中科院曾经多年从事管理工作,但高校的管理工作有其自身的规律。作为分管人才培养的常务副校长,他认为,将自己成长的经历和研究体会传授给年轻一代,也是自己义不容辞的责任和使命。
  但无论自己的角色如何转变,他衷心地表示:“我希望我们研究组能继续在催化领域作出贡献,也希望年轻的科研人员通过这些工作得到锻炼,收获快乐和进步。”

文章摘编自:中国科学报


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