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[转载]“催”陈出新 谋“化”未来|重点实验室巡礼 ——走进催化基础国家重点实验室

已有 1535 次阅读 2020-9-1 13:19 |个人分类:催化人物机构|系统分类:人物纪事|文章来源:转载

1987年12月15日召开的第一届学术委员会第一次会议

2011年召开的第六届学术委员会第一次会议

反应—分离耦合催化膜反应器

二氧化碳加氢制甲醇工业示范装置

近常压光发射电子显微镜

催化基础国家重点实验室

合成气直接制低碳烯烃新反应及OX-ZEO技术工业试验

 

■本报见习记者 韩扬眉

分毫不差地操作着精密仪器、精雕细琢地制备着催化剂、严谨认真地调控着原子分子层次的微环境……在方寸天地之间,从每一次微妙的反应变化之中,追求更快、更纯、更稳定,探寻万吨级乃至百万吨级的化工生产解决方案。

这些,是催化基础国家重点实验室的科研人员日复一日的工作与目标。从实验室小试牛刀到工厂工业示范,他们“点石成金”;从国际前沿到国家需求,他们“顶天立地”。

在中国从催化大国迈向催化强国的征途中,催化基础国家重点实验室的名字熠熠生辉。

“任务带学科”踏入国际一流

基础科学研究瞄准应用和需求,是催化基础国家重点实验室在成立之初就决定的。

催化基础国家重点实验室依托中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)而建。新中国成立之初,大连化物所承担着国家交予的合成油、合成氨净化催化剂、航空煤油等国防与经济社会发展所需的研发任务。在完成任务、满足国家需求的过程中,大连化物所还孕育带动了催化这一优势学科的发展。

在大连化物所研究员、催化基础国家重点实验室首届学术委员会秘书辛勤的记忆中,当时国家启动了首批国家重点实验室建设工作,要建设以“催化”为名的国家重点实验室。这项使命自然而然便落在大连化物所肩上。

1984年,催化基础国家重点实验室开始筹建,1987年通过国家验收并正式对外开放。

催化基础国家重点实验室的成立,是催化界的大事。来自全国催化界的顶尖专家组成了催化基础国家重点实验室第一届学术委员会,包括蔡启瑞、彭少逸、郭和夫、王弘立、闵恩泽、郭燮贤、吴越、尹元根、林励吾、陈懿、邓景发、李文钊、李树本、徐维铧。他们在实验室通过验收后不久便召开了第一次会议,讨论实验室的定位等事宜。

“会上,闵恩泽和郭燮贤首先指出,催化是应用背景广泛、综合性强的学科,是当前化学学科的前沿和化学工业的支柱,它在能源与材料的开发利用、工业污染的防治和生命科学的研究中正起着越来越重要的作用。”辛勤回忆。

“聚焦国家重大需求,布局催化基础研究和应用基础研究。”这是学术委员会给实验室定下的基调。会议中,他们逐字逐句地审定了实验室的研究方向:催化剂的活性中心结构和反应分子的活化过程、发展催化剂表征和测试技术、建立和发展催化反应化学原理、探索新催化材料和催化反应。

回忆当时我国催化学科研究面临的挑战,辛勤说:“以前,由于教育、科研的‘不对称性’,再加上经济上封闭落后,我们对外界了解甚少,同时外界对我们也知之甚少。大家希望,一是尽快提升我们的研究水平,和国际接轨;二是尽快走出去,进入国际学术交流的舞台。”

催化基础国家重点实验室建成后,积极推动国际合作交流、组织国际学术会议,大大增加了我国在国际学术上的话语权。

同时,为了争取研究经费、凝练学术课题和聚集人才,郭燮贤、蔡启瑞、彭少逸、闵恩泽、陈懿等人还筹划了“煤、石油、天然气优化利用的科学基础”八五攀登项目,并得到中石化和国家基金委的资助。这是国家当时对催化领域最大的支持项目,其命题也是中国在相当一段历史时期的永恒主题。

“我们走了一条以任务带动学科、以学科支撑技术的发展道路。”实验室主任申文杰总结说。

事实证明,这条路走对了——当时形成的4个学科方向不仅延续至今,而且每个方向都获得过国家奖。此外,催化基础国家重点实验室连续3次在国家重点实验室评估中被评为优秀实验室。同时,大连化物所的催化研究也在国际上赢得了一席之地,中国科学院院士、催化基础国家重点实验室研究员李灿当选国际催化协会主席,实验室多位学者应邀在国际重要催化学术会议作报告,多位学者获得该领域的重要奖励。

让成果走出实验室

近两年,催化基础国家重点实验室研究员潘秀莲频繁奔波于陕西延长石油(集团)工厂(以下简称延长石油)与位于大连的实验室之间,每次到工厂就要待上半个月到一个月。

2016年,包信和院士与潘秀莲领导的研究团队在《科学》上发表了“合成气直接转化制低碳烯烃”(OX-ZEO)重要成果,该成果当年被评为中国科学十大进展。OX-ZEO技术创造性地采用复合氧化物和分子筛耦合的催化新策略,创制新型复合催化剂,实现了煤经合成气(一氧化碳和氢气混合气体)直接转化制低碳烯烃等高值化学品的新路线。

“烯烃属于非常基础的化学品,比如喝水的瓶子、塑料饭盒、文件夹等原料都来自烯烃。”潘秀莲解释道。传统技术上烯烃从原油冶炼而来,但我国是煤炭大国,煤经合成气直接制低碳烯烃将为我国进一步摆脱对原油进口依赖、实现煤炭清洁利用提供一条全新的技术路线。

在时任所长张涛院士的推动下,包信和及潘秀莲领导的基础研究课题组与刘中民院士带领的应用开发课题组通力合作、强强联合,很快完成了实验室验证。他们与延长石油合作,建设了世界上首套基于该项创新成果的工业中试装置,并于2019年进行了工业性试验,一氧化碳单程转化率超过50%,低碳烯烃(乙烯、丙烯和丁烯)选择性优于75%,催化剂性能和反应过程的多项重要参数超过设计指标,总体性能优于实验室水平,进一步验证了该技术路线的先进性和可行性。

尽快把这项由我们自主创新取得的基础研究成果推向工业应用,是两个科研团队努力奋斗的目标。

“从实验室到工厂并不容易,就像从家里的小锅饭做到食堂大锅饭的过程,需要逐步放大,这个过程不只关系催化剂本身,而且是一个系统工程。”潘秀莲深知这是一个漫长的过程,但她信心满满、充满期待。

催化基础国家重点实验室的成果不仅走进了工厂,还走进了深海。

2017年3月,在地球已知最深处——太平洋马里亚纳海沟,由李灿团队研发的深海原位探测紫外激光拉曼光谱仪,创造了拉曼光谱仪最高深海探测纪录——7449米。

该仪器的成功研发意味着,我国有能力对全球99%的海域进行分子光谱探测,在深海矿藏、能源资源(天然气水合物)、碳循环与气候变化以及深海生物信息方面的探测能力大大提高。

事实上,李灿上世纪末在美国西北大学访问期间,就敏锐地捕捉到利用拉曼光谱开展催化研究的重要性,这也是国际催化界关注的热点。而我国当时还做不出此类仪器,且它在国际上也没有商品化。

回国后,李灿与团队经过不懈的努力,克服了一道道技术难题,终于在1998年成功研制出我国第一台用于催化和材料研究的紫外拉曼光谱仪,并利用它解决了分子筛骨架杂原子配位结构等催化领域的重大科学问题。

“我们自主研发的仪器和技术把很多掩盖信息因素排除了,可以得到过去无法得到的信息,解决了很多年来大家解决不了的问题。”李灿告诉《中国科学报》。

凭借紫外拉曼光谱,催化基础国家重点实验室走上了国家技术发明奖、国家自然科学奖的奖台。近年来,他们还将紫外拉曼光谱应用于生物医学领域和国家反恐缉毒的侦破领域。

让成果走出实验室,走进工厂、走入深海、走进百姓生活,催化基础国家重点实验室从未止步。申文杰表示,催化需要科学和应用非常紧密地“纠缠”在一起,“我们要让研究成果真正地用起来”。

“大催化”优势突出

“作为国家重点实验室,它必须要有创新性、引领性和先进性,既要‘顶天’,又要‘立地’,这是它的使命。”李灿坚定地说。

一直以来,催化基础国家重点实验室在大连化物所内坚持以“大催化”的理念践行它的使命。

在现代工业生产中,80%~90%的化工生产过程和产品与催化相关。随着催化科学技术和工业生产的发展,任何单一团队或某一学科方向都不能完全解决一个工业难题。

“大催化就是凝聚全所的催化力量。只要从事与催化基础有关的研究工作,都可在实验室平台上工作,围绕重大问题,共同申请项目、使用仪器设备、组织学术交流,开展‘全链条’研究,推动基础研究与工业应用的无缝衔接。”申文杰解释说。

研究员杨维慎及朱雪峰团队的研究成果能迅速进入工业化,正是得益于“大催化”所营造的环境和氛围。

在催化基础国家重点实验室,朱雪峰从事无机膜分离与催化研究,这一方向在实验室有着20多年的历史。“分离过程发生在催化过程之后,将反应和分离一体化实现过程强化是未来化工发展方向之一,是提高反应物转化率、产物选择性和降低过程能耗必不可少的环节。”朱雪峰向《中国科学报》介绍说。

近年来,朱雪峰致力于渗透机理、膜材料以及催化膜反应器的科学理论研究,他带领团队发展的适用于特定反应的膜材料和催化膜反应器,强化了化学反应和膜分离过程的耦合效应。通过基础与应用的合作,该技术有望很快实现工业应用,并大幅提高合成氨、合成气等化工工业过程的效率、实现节能减排。

“大催化是实验室多年形成的传统,我们盯着重大科学问题,以及对国家有重要影响的关键技术。近年来,大催化的优势愈发突出。”申文杰自豪地说。

学科交叉促催化新未来

“催化”这一概念自1835年正式提出已有180多年历史,早已发展为一门较为成熟的学科。

“催化很重要,这是在当下,但是随着社会发展,它可能会‘out’,变得不那么重要了。”近年来,李灿有着强烈的危机感。他时常思考并教导年轻人,“一定要想到5~10年以后,实验室乃至整个催化领域如何发展。”

李灿的危机感来自工业生产和国家需求的变化。随着化石能源的减少、生态环境的破坏,传统的煤化工、石油化工、天然气化工等已不比当年,人类社会对绿色清洁的能源和生态环境需求越来越高。经典催化和催化研究方法或将面临“失宠”的局面。

如何寻求突破口?催化基础国家重点实验室独辟蹊径——倡导“学科交叉”,拓展催化学科新领域。

最近几年,催化基础国家重点实验室不断与新能源、材料化学、物理等学科相互“融合”,加大力度引进和培养新型学科方向的年轻人,逐步建成了催化新材料、纳米催化、单原子催化、生物质催化转化、太阳能光催化、光电催化、电催化、生物催化等一批新的学科方向。

“学科交叉的氛围让我很受益。”从事纳米催化研究的实验室副主任、研究员傅强感慨地说。10余年来,他与团队从纳米乃至原子层次剖析催化剂的活性位结构,提出了纳米界面限域等新概念,建立了系统的纳米催化理论体系,为创制高效纳米结构催化剂奠定了科学基础。

“这些工作是很多研究组一起完成的,有做理论的、做表征的、做材料的,我们几个人天天‘吵架’,但就是在这些讨论和争执的过程中,把很多东西搞清楚了。”傅强笑着说。

事实也证明,催化基础国家重点实验室近年来取得的重要突破大多是多个学科交叉融合的结果。

面对未来,申文杰感到压力,“设备和经费可能不是最重要的问题,关键是有没有新想法,能不能找到大的关键科学问题、解决国家或人类社会发展中的难题”。

但他更充满期待,因为越来越多富有热情、勇于挑战难题的年轻人加入了催化基础国家重点实验室。“学科方向有深度、科研产出有影响力、人才有科学品位。这将是我们实验室未来的发展目标。”申文杰说。

催化基础国家重点实验室简介

催化基础国家重点实验室于1984年由国家计委批准筹建,1987年通过国家验收并正式对外开放,是我国首批建设的国家重点实验室之一。在2004年、2009年和2014年科技部组织的国家重点实验室评估中连续三次被评为优秀实验室。

催化基础国家重点实验室以催化基础研究为立足点、应用基础研究为结合点,瞄准国际前沿方向和我国重大应用过程的关键基础科学问题,开展深入系统的研究工作。在研究方向上,主要以新催化反应、新催化材料和新催化表征技术研究为核心,以催化剂活性相、活性中心和反应机理原位表征基础研究为特色,在面向能源、环境和精细化学品合成等方面进行催化应用基础研究。

实验室现已形成了老中青相结合、以中青年为主体,并配有精干的技术和管理人员的研究队伍。经过30多年的学术积累、人才培养和国内外合作,持续取得了一批在国内外有重大影响的基础研究成果和重大产业技术成果,已成为国际知名的催化研究中心。

坚守与欣赏让实验室“顶天”又“立地”

谋创新就是谋未来,但创新从何而来?催化基础国家重点实验室的创新之源来自团队成员的长期坚守与互相欣赏。

2006年,傅强回国入职催化基础国家重点实验室并加入包信和团队,从事纳米催化方向的研究。

纳米结构细小且催化效率高,但其不足是过于“活泼”,如何给纳米催化剂上一道“枷锁”,使其处在亚稳态(配位不饱和),是催化基础理论和催化剂创制的一大难题。

10余年来,包信和团队从纳米乃至原子层次剖析催化剂的活性位结构,提出了纳米限域催化等新概念。在此概念的指导下,傅强和同事尝试诸多办法,采用多种先进的表面和纳米实验研究手段,并与理论研究团队密切合作,成功地构建了表面配位不饱和亚铁结构,发展出“界面限域催化”概念,为更深入地理解多相催化反应机制和创制新的纳米催化体系提供了重要的理论基础,为创制高效纳米结构催化剂奠定了科学基础。

他们根据基础研究的概念,创制出了高效稳定的催化剂,成功应用于燃料电池用氢气中CO的高效低温脱除。最终这些成果在《科学》上发表,得到了国际同行和工业界的高度认可。

回顾研究历程,傅强感慨,创新有一个过程,有传承才能有创新,先有量的积累,再有质的跨越,最终实现从0到1的突破。这个过程中坚持非常重要。“包信和老师也时常告诉我们,科研只要方向对,就不怕路途遥远,只要坚持,再冷的板凳也能坐热。”

创新不在于追赶“时髦”,而是建立在长期的积累和扎实的基础之上,这已成为催化基础国家重点实验室代代相传的精神。

2007年,辛勤开创了首届“现代催化研究方法讲习班”,如今已成功举办了9届。谈及初衷时,他说,为年轻催化人夯实基础理论。

“创新的思想来自于扎实的基础,无论是理论还是技术,要在问题的核心和关键上下功夫,才可能有创新。当前,催化研究与越来越多的学科交叉,没有坚实的基础知识,创新只能是‘空中楼阁’。”这是辛勤近60年科研生涯的深切体会。

除此之外,催化基础国家重点实验室还十分强调“互相欣赏”的文化氛围。事实上,实验室之所以既能“顶天”又能“立地”、形成“大催化”的学科理念,建立学科交叉大团队,与学术界和工业界的“互相欣赏”密不可分。

“基础研究和工业应用‘互相欣赏’,发挥协同作战优势,为创新突破提供了像黑土地一样肥沃的土壤,这是我们的特色和优势。”申文杰说。(韩扬眉

《中国科学报》 (2020-09-01 第4版 聚焦)



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