李孔齋：做能源發(fā)展的“催化劑”

本刊記者 汲曉奇

21世紀什么最熱？現(xiàn)今時代發(fā)展什么最火？是智能科技、人體醫(yī)療、還是環(huán)境治理？說實話，這很難有一個準確的答案。

每一個時間節(jié)點，總有一個領(lǐng)域被推上風口浪尖，往復更替，新興產(chǎn)業(yè)迭起，接下來的未知沒有人可以精確地給出預測。但有一個領(lǐng)域，它長期占據(jù)世界熱點話題的地位，并且隨著時間發(fā)展，它的熱度仍居高不下，成為長遠型、持續(xù)性的關(guān)注焦點。它便是與人類生活息息相關(guān)，在社會經(jīng)濟發(fā)展中不容忽視的能源資源問題。

“隨著石油資源的日益枯竭和環(huán)境污染的不斷加重，開發(fā)潔凈廉價的石油替代資源已成為各國競相研究的熱點。”昆明理工大學冶金與能源工程學院教授李孔齋，很早就預見性地投入到能源材料的研發(fā)工作之中，他對于利用轉(zhuǎn)化技術(shù)獲取高品質(zhì)能源有著自己的認識，“甲烷是天然氣、煤層氣和可燃冰的主要成分，還可以通過生物質(zhì)反應收集，是一種不可多得的能源材料。將它轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)且易于運輸?shù)囊簯B(tài)化學制品，不僅具有替代石油的潛力而且還可以為‘無碳或低碳能量鏈’的發(fā)展提供技術(shù)儲備?！崩羁S這個名字與甲烷的轉(zhuǎn)化、催化技術(shù)研究，逐漸產(chǎn)生了密不可分的聯(lián)系。

踩實前行路

2005年，李孔齋在鄭州大學讀完本科，告別了材料科學與工程專業(yè)，將陣地轉(zhuǎn)移到昆明理工大學，成為一名工學碩士生。3年時間很快度過，李孔齋在科研這片土地上耕耘，開始小有收獲。他的碩士論文被評為“云南省優(yōu)秀碩士論文”，而他參與的“熔融鹽循環(huán)熱載體無煙燃燒技術(shù)的應用基礎(chǔ)研究”項目榮獲云南省自然科學獎二等獎。

在他參與下的國家自然科學基金項目——“熔融鹽中催化氧化天然氣制取氫氣的應用基礎(chǔ)研究”的成果展示書中，利用金屬氧化物的氧化還原能力，以晶格氧為氧源的循環(huán)制氣體系被詳盡地剖析。尤為值得一提的是，該項目結(jié)題的時候，他們還成功獲取了性能可靠的氧載體和系統(tǒng)運行系數(shù)。

到了2011年，李孔齋在昆明理工大學又走過3個春秋。同年7月，他由日方資助在日本名古屋工業(yè)大學展開博士論文課題研究。在結(jié)束了這一研究后，他回到了昆明理工大學冶金與工程學院任職，選擇將傳承的責任扛上肩頭。

2013年，李孔齋被破格晉升為教授。隨時間推移的，還有他從未放下的研究工作。在這些年里，不論是甲烷的催化材料構(gòu)建，還是多功能催化材料的行為研究都被他納入了項目研究的范疇。埋首之際，與項目推進同步而來的是一個又一個的可喜回報：“鈰鐵復合氧化物制備與甲烷選擇性氧化制合成氣催化性能研究”等論文相繼在各大刊物上發(fā)表；蓄熱型化學鏈燃燒技術(shù)用復合氧載體及其制備方法等國家發(fā)明專利上烙印下他的名字；基于甲烷裂解和積碳選擇性氧化的兩步法制備合成氣新技術(shù)也在各項發(fā)現(xiàn)的簇擁之下，揭開了神秘的面紗……

攻堅技術(shù) 發(fā)展要塞

2017年9月22日，中國科學院海洋研究所發(fā)布一則消息：新一代遠洋綜合科考船“科學”號在我國南海海域首次發(fā)現(xiàn)裸露在海底的天然氣水合物，即可燃冰。這一振奮人心的消息不脛而走，引發(fā)討論熱潮。

近幾年我國提出了立足國內(nèi)資源，提高能源利用效率，加大新能源與可再生能源開發(fā)力度，以保障經(jīng)濟社會發(fā)展需求的倡議要求。作為可燃冰主要構(gòu)成成分的甲烷，在時代格局下，被可持續(xù)發(fā)展趨勢賦予了極高的期望。它的利用率勢必關(guān)乎整體的能源發(fā)展效率，而它在轉(zhuǎn)化、使用過程中所需的催化技術(shù)，也將對改善資源品質(zhì)、提高能源利用水平等方方面面有著不容忽視的作用?；蛘哒f，催化的支撐技術(shù)承擔了實現(xiàn)節(jié)能減排、資源循環(huán)利用，引領(lǐng)未來能源走向的關(guān)鍵任務。

那么，如何展開甲烷的催化工程？在其中，又有哪些不為大眾所知的技術(shù)難題等待揭秘？李孔齋結(jié)合他在2011年主持的國家自然基金項目做了詳細的介紹：“目前，甲烷的轉(zhuǎn)化方式主要有兩大類，即直接轉(zhuǎn)化和間接轉(zhuǎn)化。直接轉(zhuǎn)化主要是將甲烷一步合成為高碳鏈烴或含氧化合物，需要嚴苛的條件且轉(zhuǎn)化率低。從經(jīng)濟角度考慮，以甲烷部分取代石油作為化學工業(yè)原料和燃料，最有效途徑是通過制取合成氣再進一步轉(zhuǎn)化的間接方法。而在這一過程中，也存在諸多問題亟需解決?！?/p>

間接方法轉(zhuǎn)化中，甲烷制合成氣的“造氣”工序成本高達全程成本的50%，嚴重影響了實現(xiàn)經(jīng)濟高效的制備初衷。開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)解決轉(zhuǎn)化困境成為科研人員長久以來的研發(fā)重點。經(jīng)過多方考察，整合前人經(jīng)驗，李孔齋將催化部分氧化法作為研究切入點。“催化部分氧化不同于水蒸汽重整、二氧化碳重整，能耗、生產(chǎn)成本及設(shè)備投資都比較大，它的反應是溫和的放熱過程，可以在高空速下進行，并且反應器體積小、效率高，生成的合成氣也可直接作為甲醇、二甲醚等物質(zhì)的原料氣?！?/p>

即便集萬千優(yōu)點于一身，催化部分氧化法還是面臨著各種研究困局。譬如，氧化過程需使用純氧，而制氧裝置的投資與運行費用昂貴；催化劑易燒結(jié)、積碳失活等。為此，李孔齋基于荷蘭、日本等學者提出的晶格氧部分氧化甲烷工藝，根據(jù)甲烷催化裂解和積碳（被氧氣）氧化可以在低溫度（≤700℃）下進行，且在催化劑配合下持續(xù)時間較長的這一特性，提出了一種在中低溫（500℃～700℃）條件下轉(zhuǎn)化甲烷制取合成氣的新思路。該方法將裂解與氧化分步進行，比較傳統(tǒng)甲烷裂解工藝，剔除了復雜的催化劑還原程序。

除此之外，考慮到一般使用二氧化碳和水等弱氧化性物種充當氧化劑，不僅效率低，反應積碳還不能完全被消除，從而影響裂解催化劑的循環(huán)利用等因素?；蛘哌M一步說，即便積碳能夠被高效率氧化，其產(chǎn)物也只會是二氧化碳，而并非人們希望得到的一氧化碳。對此，李孔齋講述了他在實驗中的有趣發(fā)現(xiàn)：“如果在鈰鐵和鈰鈷復合材料上，甲烷裂解的積碳，可以被空氣高選擇性地氧化為一氧化碳。而且，我們經(jīng)過初步研究證實，反應溫度對于一氧化碳的生成影響很大?！边@一發(fā)現(xiàn)無疑為創(chuàng)制具有甲烷裂解和積碳選擇性氧化雙功能的催化材料，奠定下堅實的基礎(chǔ)。其成果被國際催化領(lǐng)域的權(quán)威雜志

Journal of Catalysis 和Applied Catalysis B: Environmental、The Journal of Physical Chemistry C等錄用?！斑@是一個很有意義且值得深入研究的現(xiàn)象”，這是雜志審稿人給予的最中肯的評價。與此同時，針對熱量傳導和利用問題廣泛存在于各類反應過程當中，李孔智提出了將相變蓄熱技術(shù)應用于化學反應的新思路，以構(gòu)筑核殼結(jié)構(gòu)蓄熱功能化催化劑來解決固定床反應器中存在的氧載體床層溫度不均等問題。該概念的提出和深入研究在能量利用、涉及吸放熱反應的化工領(lǐng)域等方面逐漸形成新的關(guān)注點。李孔齋預測，隨著技術(shù)的不斷成熟，該設(shè)計思路可擴大推廣范圍實現(xiàn)太陽能熱分解制氫、化學鏈重整制氫、甲烷部分氧化等重要化工過程的搭建，為諸如熱源不穩(wěn)定一類難題提供相關(guān)可執(zhí)行辦法。目前，部分成果已在國際材料和能源化工領(lǐng)域的著名雜志Journal of Materials Chemistry A、Applied Energy、Chemical Engineering Journal、Chemical Engineering Science等發(fā)表。

運籌帷幄，方能決勝千里。遠眺未來藍圖，李孔齋已經(jīng)做好迎接時代挑戰(zhàn)的準備?？梢灶A見的是，他會帶領(lǐng)著團隊為能源發(fā)展注入一支強有效的催化劑。