中國催化科學(xué)的奠基人之一
——張大煜

文/俞稼鏞

中國催化科學(xué)的奠基人之一
——張大煜

文/俞稼鏞

張大煜，字任宇，1906年2月15日生于江蘇省江陰縣長涇鎮(zhèn)。他從小酷愛讀書，學(xué)習(xí)成績優(yōu)異。中學(xué)畢業(yè)以后，考入北洋大學(xué)（即天津大學(xué)），后轉(zhuǎn)清華大學(xué)。大學(xué)期間同翟風(fēng)陽、葛春林、袁翰青等人組成大地社，他們經(jīng)常探討如何“科學(xué)救國”和“工業(yè)救國”，并多次參加學(xué)生運(yùn)動。1929年，張大煜于清華大學(xué)畢業(yè)，同年考取了公費(fèi)留學(xué)德國和美國，他把留學(xué)美國的名額讓給了同學(xué)，自己赴德國德累斯頓大學(xué)學(xué)習(xí)膠體與表面化學(xué)，1933年獲工學(xué)博士學(xué)位。回國后曾任清華大學(xué)、西南聯(lián)大、交大教授和中央研究院研究員。中國開創(chuàng)催化反應(yīng)和催化劑研究的科學(xué)家之一。早年從事膠體和表面化學(xué)以及人造燃油的研究；在大慶油田開發(fā)以后，組織了石油煉制、石油化工、高能燃料、色譜、激光和化工過程的研究；組建了我國第一個石油、煤炭化學(xué)的研究基地，并為我國培育了幾代研究人才。晚年仍關(guān)注石油工業(yè)有重要影響的強(qiáng)化采油中界面現(xiàn)象新領(lǐng)域的開拓。

創(chuàng)建石油煤炭化學(xué)研究基地

在清華大學(xué)學(xué)習(xí)期間，張大煜就深諳祖國缺油少氣的現(xiàn)狀。1929年，他懷著工業(yè)救國的理想赴德國留學(xué)。1933年在德累斯頓大學(xué)獲博士學(xué)位后，他親自考察了德國巴斯夫公司、拜耳公司等煤煉油工藝（Bergius煤加氫、F-T合成石油、Lurgi爐低溫干餾等），取得了當(dāng)時國際先進(jìn)的煤轉(zhuǎn)化第一手技術(shù)資料?；貒螅词芷赣谇迦A大學(xué)?？谷諔?zhàn)爭爆發(fā)后，張大煜從長沙輾轉(zhuǎn)到昆明，1940年在西南聯(lián)大任教并兼任中央研究院化學(xué)所研究員。為適應(yīng)抗戰(zhàn)的需要，他毅然從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向石油、煤炭方面的技術(shù)科學(xué)研究。1941年，他利用云南豐產(chǎn)的褐煤，在昆明附近宜良滇越線上建立了一個從褐煤低溫干餾提煉汽油的小型實(shí)驗(yàn)工廠——利滇化工廠，邊實(shí)驗(yàn)邊生產(chǎn)，歷盡千辛萬苦煉出了油。但在人力、物力、設(shè)備和經(jīng)費(fèi)等方面困難重重，終于被迫停辦。張大煜“工業(yè)救國”的嘗試遭到了挫折，但為他后來創(chuàng)建我國第一個石油煤炭化學(xué)研究基地提供了最初的經(jīng)驗(yàn)。抗日戰(zhàn)爭勝利后，張大煜從昆明到上海，任交通大學(xué)教授兼北京清華大學(xué)化工系主任，講授工業(yè)化學(xué)和膠體化學(xué)，在極端困難的條件下，還開展了一些研究工作。1948年底經(jīng)上海地下黨負(fù)責(zé)人介紹毅然離開上海，繞道香港和朝鮮，于1949年初到達(dá)大連。1949年大連大學(xué)創(chuàng)辦初期，他任化工系教授、系主任，同時擔(dān)任大連大學(xué)科學(xué)研究所（后改名為東北科學(xué)研究所大連分所）研究員、副所長。

大連所始建于1908年，其前身為日本“南滿洲鐵路株式會社中央試驗(yàn)所”，是日本帝國主義為掠奪我東北資源進(jìn)行調(diào)查和科研而設(shè)置的，盛時日本職工曾達(dá)600多人。日本投降后，隸屬中蘇合營的中國長春鐵路管理局，設(shè)有無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、燃料化學(xué)、窯業(yè)化學(xué)、農(nóng)產(chǎn)化學(xué)、物理化學(xué)等8個研究室，有較好的研究條件和設(shè)備，但當(dāng)時的研究方向混亂、組織渙散。1948年底到1949年初，蘇方移交該所，隸屬于大連大學(xué)。張大煜教授到任后，百廢待興，他全力以赴地投入接收和改組工作中，克服了重重困難，做了大量艱苦細(xì)致的思想、組織工作，團(tuán)結(jié)留用了部分有專長的日籍科研人員。1950年9月，大連所改名東北科學(xué)研究所大連分所，屬東北工業(yè)部管轄，任命董晨為所長，張大煜為副所長。1953年4月該所又更名為中國科學(xué)院工業(yè)化學(xué)研究所，張大煜任所長。1953年8月，在所長張大煜和燃料工業(yè)部的積極倡議下，成立了液體研究委員會，張大煜任主任委員，侯祥麟任副主任委員，委員有趙宗燠、張定一、劉放、顧敬心、曹本熹等，定期地對研究所的計(jì)劃和工作進(jìn)展情況進(jìn)行審查評議，這對加強(qiáng)研究所與生產(chǎn)部門的協(xié)作聯(lián)系起了很大作用。1954年，工業(yè)化學(xué)研究所再次更名為“中國科學(xué)院石油研究所”，同時成立“中國科學(xué)院煤炭研究室”，由蘇恒任書記，張大煜任所長兼煤炭室主任。

當(dāng)張大煜領(lǐng)導(dǎo)實(shí)力雄厚的隊(duì)伍重新制訂研究合成燃料油等課題規(guī)劃時，他禁不住心潮澎湃。他認(rèn)為選擇石油化學(xué)作為研究所的主要研究方向，使之逐步形成我國第一個石油煤炭化學(xué)的研究基地，方向是正確的。在我國天然石油資源尚未發(fā)現(xiàn)之前，合成燃料是急需的研究課題，因此他選擇了頁巖油高壓加氫和水煤氣合成人造石油兩大研究課題。此外，根據(jù)抗美援朝戰(zhàn)爭對于炸藥的急需，選擇了直鏈烷烴芳構(gòu)化制甲苯的研究課題。由于全所研究人員的共同努力，這些研究課題都取得了很好的成果，其中“七碳餾分芳烴化合成甲苯”以及“熔鐵催化劑用于流化床合成液體燃料的研究”曾獲1956年國家科學(xué)三等獎。

大連的煤炭研究是從1951年開始的。張所長針對我國豐富的煤炭資源急待合理開發(fā)利用、特別是三大鋼鐵基地（鞍鋼、武鋼、包鋼）建設(shè)急需煉焦煤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，不失時機(jī)地提出以煉焦為主的煤化學(xué)研究方向，并把組建煤炭組的工作列入他的第一議事日程。當(dāng)時的煤炭組成員王祖侗、裘維剛、楊煌、吳奇虎、張芷等，就是在張所長的親自指導(dǎo)下開展工作的。煤炭組在很短的時間內(nèi)，建立了煤質(zhì)分析方法，仿制了膠質(zhì)層測定儀，建立了2kg、5kg小焦?fàn)t，取得了一批可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為我國煉焦煤地質(zhì)勘探和配煤方案提供了科學(xué)依據(jù)。

在完成任務(wù)的同時，也為石油工業(yè)部門培養(yǎng)了大批科學(xué)技術(shù)研究人員。張大煜從實(shí)踐中認(rèn)識到，一個研究所必需具有良好的學(xué)風(fēng)，才有生命力，尤其是要有民主的學(xué)術(shù)氣氛。作為所長，必須能容納不同意見，支持新生事物，才能發(fā)揮大家的積極性和創(chuàng)造性。為了發(fā)揮集體智慧，形成學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)中心，大連石油所于1955年9月在中國科學(xué)院第一個成立了所“學(xué)術(shù)委員會”。經(jīng)過10年的發(fā)展，建成了包括催化、近代分析、化工等學(xué)科的近千人的大型研究所。

提出表面鍵理論

在完成國民經(jīng)濟(jì)重大研究課題的同時，張大煜也很重視基礎(chǔ)研究。50年代初期開始，他就致力于工業(yè)上廣泛使用的催化劑擔(dān)體研究。人們將催化劑比喻為化學(xué)變化中的“點(diǎn)金石”，而催化理論是尋找“點(diǎn)金石”的“魔棒”。建國10年來，在石油煉制、人造燃料等大量的實(shí)踐基礎(chǔ)上，1960年張大煜在上海召開的中國科學(xué)院學(xué)部大會上作了《多相催化研究中的表面鍵理論研究》的學(xué)術(shù)報(bào)告。而國際上表面鍵理論直到70年代隨著新的表面物理實(shí)驗(yàn)方法在催化研究中的應(yīng)用才逐步形成。當(dāng)時，我國催化研究狀況正如1959年在第一屆全國催化學(xué)術(shù)報(bào)告會議上吳有訓(xùn)副院長所談及的那樣：“我們不僅已能仿制和掌握國外成熟的催化劑和先進(jìn)技術(shù)，而且對國外處于探索階段和初露苗頭的催化劑研究，也能根據(jù)國家需要，集中力量在短期內(nèi)取得突破”。張大煜感到在新形勢下需要盡快加強(qiáng)催化理論研究，為催化劑研制工作持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。但是，張大煜發(fā)展表面鍵理論的歷程并不平坦。

早在中華人民共和國成立前，張大煜即對催化過程深感興趣，在國民經(jīng)濟(jì)恢復(fù)時期，石油研究所內(nèi)主要接受應(yīng)急任務(wù)，基礎(chǔ)工作還相當(dāng)薄弱，他當(dāng)時親自兼任一個課題組長，從物理吸附開始逐步開展有關(guān)催化基礎(chǔ)研究，首先利用日本人留下的一些玻璃活塞和真空泵，建立了國內(nèi)最早的兩套BET真空吸附裝置，又專門請玻璃細(xì)工劉興信（后來任副總工程師，成為玻璃吹制技術(shù)專家）來所工作。在國內(nèi)首先試制成功了真空活塞、石英彈簧以及高真空擴(kuò)散泵。1955年制成壓入水銀測孔儀，配合其它大型儀器的建立，初步具備了催化基礎(chǔ)研究條件。1953年開始催化劑物性的測定；以后又進(jìn)一步開展了催化反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)的研究，在工業(yè)催化劑載體的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)對催化劑活性關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)載體（如硅膠、氧化鋁、活性碳、硅藻土等）對催化劑有重要影響。1955年，在鈷催化劑制備中發(fā)現(xiàn)鈷硅復(fù)合物含量不同時會強(qiáng)烈地影響催化劑的還原和空隙結(jié)構(gòu)。由于水煤氣合成反應(yīng)受擴(kuò)散控制，因而孔結(jié)構(gòu)會強(qiáng)烈影響催化劑的活性、熱穩(wěn)定性和壽命，從而提出了催化劑制備時對孔隙結(jié)構(gòu)的控制問題。在此基礎(chǔ)上還研究了水煤氣合成熔鐵催化劑的還原和生成孔隙結(jié)構(gòu)問題，1957年開始化學(xué)吸咐的研究，在上述鈷催化劑上闡明了氫氣、一氧化碳吸附與反應(yīng)性能間的關(guān)系。此外還從化學(xué)吸附等壓線等實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)歸為甲、乙、丙三種吸附類型，討論了表面不均一性所產(chǎn)生的能量圖譜，并推論丙型吸附可能與反應(yīng)活性的關(guān)系密切，加上以后大量催化實(shí)驗(yàn)事實(shí)的積累和對文獻(xiàn)中日益增多的數(shù)據(jù)的總結(jié)，逐漸形成“表面鍵”理論。

催化反應(yīng)特點(diǎn)，在于至少反應(yīng)物之一與催化劑表面發(fā)生了作用而形成“化學(xué)吸附鍵”，此鍵在本質(zhì)上與化學(xué)鍵相同，而又區(qū)別于一個分子內(nèi)的化學(xué)鍵。由于催化劑表面所固有的或誘生的不均一性所形成的表面鍵在鍵角、鍵長與鍵能上會有很大的不同，從而形成一個表面鍵譜圖。強(qiáng)表面鍵是弱表面鍵存在的基礎(chǔ)，不強(qiáng)不弱的鍵在反應(yīng)中起主要作用，較弱和較強(qiáng)部分都困難于活化而不易發(fā)生反應(yīng)。如何得到表面鍵譜圖以預(yù)言催化劑活性，這是表面鍵理論要解決的關(guān)鍵問題。1962年組織開展這一工作時，微觀的表面測試工具，有的尚在初期應(yīng)用階段（如紅外光譜），有的仍在研制（如各種能譜儀），因而測量表面鍵譜尚有困難。當(dāng)時還進(jìn)行了鉑、鎳催化劑上吸附一氧化碳的紅外光譜研究，以期從微觀角度接近表面鍵問題，1964年后他又提出了表面振子模型如何發(fā)展，覆蓋度與表面鍵有什么規(guī)律，如何溝通催化劑微觀和宏觀的表征參數(shù)等比較深入和具有吸引力的研究課題。

為改變我國化肥工業(yè)的落后面貌，1965年，他親自領(lǐng)導(dǎo)了由研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)三方面組成的合成氨燃料氣凈化新流程三個催化劑攻關(guān)任務(wù)，并在研制催化劑的關(guān)鍵技術(shù)上發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用，使新流程的研制工作只用了一年多時間便在工業(yè)上獲得推廣應(yīng)用，被國家經(jīng)委、科委譽(yù)為協(xié)作攻關(guān)成功的典范，獲1978年全國科學(xué)大會獎。

科學(xué)組織工作中的遠(yuǎn)見卓識

張大煜十分重視從實(shí)際中提出應(yīng)用性很強(qiáng)的課題，也安排必要和可能的基礎(chǔ)研究。在集中力量開展石油化學(xué)的研究中帶動了催化和色譜兩門學(xué)科的發(fā)展，并在國內(nèi)形成了自己的特色，為后來的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。早在1956年制定12年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃時，周恩來總理一再提出科學(xué)院要十分注意基礎(chǔ)研究，建國10年來，張大煜在完成應(yīng)用研究任務(wù)過程中一再感到基礎(chǔ)研究是一個薄弱環(huán)節(jié)，此時產(chǎn)業(yè)部門石油化學(xué)研究隊(duì)伍業(yè)已成長，為避免研究工作中的重復(fù)，并提高研究水平，1960年，張大煜提出了表面鍵理論，以加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。

1961年11月，大連石油研究所正醞釀改名為化學(xué)物理所時，所內(nèi)一度思想比較混亂。張大煜和當(dāng)時的所黨委書記白介夫一起，在發(fā)揚(yáng)民主、集思廣益的基礎(chǔ)上，明確了化學(xué)物理所的方向和任務(wù)、主要發(fā)展的科學(xué)領(lǐng)域（催化、色譜、燃燒和動力學(xué)，金屬有機(jī)、化工和物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成綜合的研究力量和建立強(qiáng)有力的技術(shù)系統(tǒng)），并制定出化物所的長遠(yuǎn)規(guī)劃，這對化物所成立后的建設(shè)和發(fā)展起了十分重要的作用。在此期間，張大煜總結(jié)出科學(xué)組織工作中的6大關(guān)系：①處理任務(wù)和學(xué)科的關(guān)系，以任務(wù)帶學(xué)科，學(xué)科的發(fā)展促使為國家解決更多更大的任務(wù)；②挑選任務(wù)和課題應(yīng)以國家“最重要”的為前提，本著我們“最合適”的尺度，嚴(yán)肅靈活地挑選；③“趕與超”、“遠(yuǎn)與近”、大與小”等關(guān)系；④集中與分散的關(guān)系；⑤學(xué)術(shù)民主與學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)兩方面的統(tǒng)一關(guān)系，就是領(lǐng)導(dǎo)、專家、群眾三結(jié)合；⑥處理專業(yè)研究和設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位的關(guān)系。張所長很會用人，但是他從不把意見強(qiáng)加于人，而是循循誘導(dǎo)，自己決定。研究所的方向任務(wù)是非常重要的。

在蓬勃開展工業(yè)學(xué)大慶的群眾運(yùn)動中，化物所進(jìn)入了一個空前的全盛時期，1966年初被中國科學(xué)院和中共中央東北局樹為大慶式的“紅旗單位”。郭沫若院長和國家科委韓光等領(lǐng)導(dǎo)都曾到化物所進(jìn)行考察。郭沫若還寫了《水調(diào)歌頭》一闕以示嘉勉，其下闕云：“出成果，驅(qū)虎豹，御熊羆，趕超任務(wù)，重?fù)?dān)爭挑樂莫支。攻破尖端堡壘，滿足國民經(jīng)濟(jì)，接力把山移，永蓄愚公志，長頌冬云詩?！?/p>

1972年，他獲悉美國科學(xué)家發(fā)明了丙烯氨氧化催化劑，在此啟發(fā)下，1973年他提出了建立“催化劑庫”的建議，組織力量對國內(nèi)外各種類型的工業(yè)催化劑開展規(guī)律性的研究。這個建議得到研究人員和中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的支持。他還寫成國外工業(yè)催化劑的研制中“理論走在前頭”的成功的10例提綱，意在科研人員中引起學(xué)術(shù)討論，加強(qiáng)學(xué)科建設(shè)和基礎(chǔ)研究。

張大煜晚年還熱情支持開展新的科學(xué)領(lǐng)域的研究，如磁場對化學(xué)反應(yīng)影響等基礎(chǔ)研究，他看到膠體界面科學(xué)在三次采油中的重要作用，熱情關(guān)心并支持強(qiáng)化采油中界面現(xiàn)象這一新的研究領(lǐng)域的開拓，直到他病逝之前，仍然為恢復(fù)和發(fā)展表面鍵的研究而嘔心瀝血。