包信和：催化世界里的堅守

今年1月，中科院院士包信和獲得了2015年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎。中科院院長白春禮向包信和頒發(fā)了榮譽證書。過去的一年里，包信和還收獲了周光召基金會頒發(fā)的“基礎(chǔ)科學(xué)獎”，他說：“看得見的是榮譽證書，看不見的是我們研究組在催化研究領(lǐng)域的多年堅守。”

天然氣高效利用的新途徑

催化劑是改變反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率（既能加快也能減緩），而其本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后不發(fā)生改變的物質(zhì)。就好像“有情有義的一對情人，往往需要媒婆來推進一下，走向婚姻殿堂的進程就能加快，催化劑在化學(xué)反應(yīng)里也有此功效。”包信和形象地解釋道，“所以催化劑又往往被俗稱為觸媒。”

大多數(shù)化工過程都是催化過程。今天，不管我們喜歡不喜歡，我們的生活幾乎離不開化工產(chǎn)品。我們?nèi)粘Ｓ玫乃芰稀⒗w維、建筑材料等等都是經(jīng)催化過程得到的產(chǎn)物。

通常，這些化工產(chǎn)品都來自于石油。由石油經(jīng)催化裂解反應(yīng)提煉出烯烴，再生產(chǎn)出其他下游產(chǎn)品。因此，烯烴特別是乙烯是現(xiàn)代工業(yè)最重要的原材料之一。

近年來，我國的乙烯工業(yè)發(fā)展迅猛，已成為僅次于美國的世界第二大乙烯生產(chǎn)國。但是與國際上烯烴主要生產(chǎn)國（美國和中東國家）通過低碳烷烴生產(chǎn)烯烴相比，我國的烯烴主要由石油煉制獲得的中間餾分石腦油生產(chǎn)，成本居高不下，環(huán)境壓力很大。

隨著能源和環(huán)境問題的凸顯，探索高效環(huán)保的催化反應(yīng)過程已經(jīng)不僅關(guān)系到民生，而且關(guān)系到國家安全。當(dāng)前，用儲量相對豐富、價格低廉的天然氣替代石油，生產(chǎn)液體燃料和基礎(chǔ)化學(xué)品，已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)重點，科研人員一直在探索天然氣直接轉(zhuǎn)化利用的有效方法與過程。從甲烷制備乙烯的工藝路線，至今仍被視為化學(xué)領(lǐng)域不可攻克的難題。

2014年，包信和研究組在甲烷高效轉(zhuǎn)化相關(guān)研究中獲重大突破，實現(xiàn)了由甲烷直接高效生產(chǎn)乙烯、芳烴和氫氣等化學(xué)品。這項科研成果通過《專利合作條約》的專利申請渠道，進入美國、俄羅斯、日本、歐洲和中東等國家和地區(qū)，同年，這項成果也在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的很大反響。德國化工企業(yè)巴斯夫集團副總裁穆勒認為，這是一項“即將改變世界”的新技術(shù)，將為天然氣、頁巖氣在未來的高效利用開辟一條全新途徑。

1000小時的突破，20年的守候

天然氣的主要成分是甲烷。據(jù)包信和介紹，現(xiàn)有的甲烷轉(zhuǎn)化途徑通常采用“二步法”：首先在高溫條件下，通過混合氧氣、二氧化碳或水蒸氣，將甲烷分子重整為含一定比例的一氧化碳和氫氣分子的合成氣體；隨后，用特定的催化劑將合成氣體轉(zhuǎn)化為高碳的烴分子，包括乙烯等。

這一傳統(tǒng)方法路線長，投資和消耗高，另外，由于采用了氧分子作為甲烷活化的助劑或介質(zhì)，過程中不可避免地要形成和排放大量溫室氣體二氧化碳。

早在20多年前，中科院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）就提出不用氧進行甲烷轉(zhuǎn)化的“無氧活化”的概念。1995年，包信和帶領(lǐng)團隊開始“無氧活化”的攻堅。

他說：“曾有過一段艱難的時期，我們的研究方向被認為是冷門，但大家并沒有放棄。”經(jīng)過不懈堅持，在甲烷催化轉(zhuǎn)化研究的基礎(chǔ)上，研究組基于“納米限域催化”的新概念，創(chuàng)造性地構(gòu)建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，突破了原有技術(shù)的瓶頸，實現(xiàn)了甲烷在無氧條件下的選擇活化，一步生產(chǎn)乙烯、芳烴和氫氣等高值化學(xué)品。

與甲烷轉(zhuǎn)化的傳統(tǒng)路線相比，這項研究摒棄了高耗能的合成氣制備過程，不僅縮短了工藝路線，還在反應(yīng)過程中本身實現(xiàn)了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率大于99%。

中研究組前期已經(jīng)完成了這一過程的60小時實驗室試驗，發(fā)現(xiàn)該催化劑保持了極好的穩(wěn)定性。但是對工業(yè)化來說這是遠遠不夠的，合作企業(yè)要求有長時間壽命測試結(jié)果。“年前我們就開始了催化劑1000小時的壽命評價試驗，近兩個月的時間，正好遇上了春節(jié)。”包信和說。

春節(jié)7天長假，在大連化物所的實驗室里，納米與界面催化研究組的科研人員依然輪番堅守在工作一線。白天夜里兩班崗，“保證了試驗的順利完成，卻讓研究組里不少人錯過了與家人團聚的機會，特別感謝團隊成員和他們的家人”。

“這一刻我們等了20年。”包信和說，“目前，催化試驗已經(jīng)正常運行超過1000小時，我們現(xiàn)在已經(jīng)與中石油和沙特的SABIC公司組建了合作團隊，下一步我們會將這項甲烷制乙烯技術(shù)交給企業(yè)，進行共同開發(fā)。”

挑戰(zhàn)與使命

2015年9月，經(jīng)中科院推薦、教育部黨組任命，包信和出任復(fù)旦大學(xué)常務(wù)副校長。1978年，包信和考入復(fù)旦大學(xué)。1989年，他離開學(xué)習(xí)工作11年的復(fù)旦大學(xué)來到德國柏林，在德國洪堡基金會的資助下，師從表面催化學(xué)科的創(chuàng)始人之一、2007年諾貝爾化學(xué)獎得主埃爾特（Ertl）教授，從事金屬催化劑的表面研究。

回國后，包信和來到了大連化物所。在大連化物所的20年里，在中科院和大連化物所幾屆領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)界前輩們的支持與幫助下，他被推舉為“973”計劃項目“天然氣、煤層氣優(yōu)化利用的催化基礎(chǔ)”的首席科學(xué)家，在項目組成員的共同努力下，取得了“甲醇制烯烴”“煤制油”“天然氣制芳烴”等一系列成果。

這些年來，包信和帶領(lǐng)的科研團隊一直在催化領(lǐng)域默默耕耘，發(fā)表的論文數(shù)量不算很多，但論文質(zhì)量還是蠻“漂亮”的。對于“漂亮”一詞，包信和認為用英文perfect一詞更形象。

今天，重返校園的包信和，對于自己身份的轉(zhuǎn)變，他看作是又一次挑戰(zhàn)。盡管包信和在中科院曾經(jīng)多年從事管理工作，但高校的管理工作有其自身的規(guī)律。作為分管人才培養(yǎng)的常務(wù)副校長，他認為，將自己成長的經(jīng)歷和研究體會傳授給年輕一代，也是自己義不容辭的責(zé)任和使命。

但無論自己的角色如何轉(zhuǎn)變，他衷心地表示：“我希望我們研究組能繼續(xù)在催化領(lǐng)域作出貢獻，也希望年輕的科研人員通過這些工作得到鍛煉，收獲快樂和進步。”