沸石新希望，催化新時代
——記北京化工大學軟物質科學與工程高精尖創新中心副教授張建

謝更好

張建

近半個世紀以來，面對化石能源日漸枯竭和全球氣候、環境變化的現實壓力，一場新能源革命在全球范圍內悄然興起。世界各國尤其是經濟技術發達且對進口能源需求量大的美國、日本、西歐等國家和地區開始對傳統的高能耗、高污染工業進行大規模的技術改革。

作為一種豐富的可再生資源，生物質能高效地轉化為重要化學品、能源產品、新材料，使人類減少對化石資源的依賴，是實現社會可持續發展的重要途徑。然而，盡管生物燃料對環境的影響小，但其生產過程需要大量能量，經過高溫和壓力，才能發生必要的化學反應。破解之道來自沸石，這是一種超多孔材料，10克沸石的內部表面積相當于一個足球場大小，沸石的孔腔結構使其很適合用于催化化學反應，幫助節省能量。目前，利用沸石催化化學反應將生物質轉化為生物燃料的研究得到了越來越多人的關注。

“生物質能源發展潛力巨大。近年來，國內外很多學者都在開展相關研究，并不斷取得重要成果?？梢灶A見，傳統的化石能源終將被新能源取代，一個環境友好型的社會終將建成！”北京化工大學軟物質科學與工程高精尖創新中心副教授張建說。

“興趣”“良師”“益友”

從初入象牙塔的懵懂學生到如今成為一名優秀的科研工作者，翻開張建的人生履歷，“興趣”“良師”“益友”是始終繞不開的關鍵詞。高中時期，張建就對化學情有獨鐘。不論是物質與物質間的復雜反應，還是那些瓶瓶罐罐的化學試劑，抑或是密密麻麻的元素周期表，在張建眼里，一切都那么生動有趣。2008年，張建憑借優異的成績，順利考上吉林大學應用化學專業。開學第一天，老師就告誡他們，要想在化學的道路上走得更遠，就需要重視實驗與研究。就這樣，在大一的理論知識學習結束后，張建進入了實驗室，并在這里結識了他人生中最重要的人之一——肖豐收教授。

“肖老師是中國化學會會士，榮獲過國家杰出青年、湯姆遜（Thomson）科學研究前沿獎、高等學?？茖W研究優秀成果獎自然科學獎二等獎等多項榮譽，在沸石分子篩、多相催化反應等研究方面一直頗有建樹?！碧崞鸲鲙?，張建滿懷感激，“當時我才大二，由于實驗知識不足，在科研過程中總是遇到瓶頸。但肖老師并沒有失去耐心，反而手把手地對我進行指導，非常細致地給我講解。他還常常鼓勵我和師兄王亮多交流學習，共同進步?！?/p>

功夫不負有心人，在肖豐收教授的帶領下，實驗取得了突破性進展，研究結果以論文形式進行了發表，張建的名字醒目地列在第二作者的位置，研究所取得的成果令他歡欣鼓舞，也更加堅定了張建進行化學研究的決心。

2009年，肖豐收教授離開吉林大學進入浙江大學任教。為了跟隨肖老師的步伐，張建于2012年來到浙江大學攻讀催化化學專業博士學位。而后，他又在那里完成了博士后研究。在浙江大學的7年時光里，張建的科研水平得到了快速提高。在此期間，他開始進行屬于自己的課題項目，第一次著手生物質轉化領域的研究，并逐漸確立了將沸石合成與應用、生物質轉化作為個人的研究方向。

“一路走來，我覺得自己非常幸運。除了肖老師的栽培，我的師兄王亮也給予了我很多幫助。2013年，師兄從吉林大學獲得理學博士學位后，也跟著肖老師來到了浙江大學進行博士后研究，隨后便留校工作。在研究思路方面，師兄帶給我很多啟發性思考。”張建清楚地記得，王亮師兄曾告訴他，尋找有效的化學催化劑，如果只是一個一個地篩選每種可能的催化劑，這樣用“蠻力”，耗時非常長，但若是從化學原理的角度出發，通過創新來制造出新的化學催化劑，并將其巧妙地運用在實驗里，就會少走很多彎路……

2019年，在肖教授的介紹下，張建來到了北京化工大學軟物質科學與工程高精尖創新中心繼續開展科研工作。迄今為止，他已在國內外的雜志發表論文50余篇，其中第一作者/共同第一作者16篇，有3篇為《科學引文索引》（SCI）高被引論文。借助北京化工大學這個強有力的平臺，張建創造性地將自己的研究內容與北京化工大學的優勢學科——生物工程結合起來，采用生物化工的方式，努力讓化學這門科學迸發出更加耀眼的光芒！

巧用沸石催化劑

塑料是人類社會發展過程中不可或缺的產品，近幾年用量極大的醫用口罩的生產就高度依賴塑料。但由于塑料難以在自然條件下降解為無害物質，廢棄后造成的塑料污染問題已經嚴重影響了自然和生態環境。解決此問題的辦法之一就是開發可降解的塑料。

張建說：“作為一種典型的可生物降解的聚合物，聚乳酸的基本物性和石化合成的塑料非常相似，而且它的相容性與可降解性良好，是非常有前途的生物降解塑料制品。”為了制備高品質的聚乳酸，實現催化乳酸制L-丙交酯的催化劑及相應的乳酸一步制L-丙交酯的高效反應是關鍵。為此，張建主持了國家自然科學基金項目“高效催化乳酸雙分子酯化制L-丙交酯的核-殼沸石催化材料”。

在此項目中，張建帶領團隊設計合成了全硅Beta包裹硅鋁Beta沸石催化材料。全硅殼層可以有效消除外表面酸中心，抑制乳酸過度聚合等副反應，同時提供豐富的孔道供反應物和產物分子快速擴散，從而大幅度提高L-丙交酯的選擇性。在此基礎上，他們還研究了全硅和硅鋁Beta沸石的組裝機制，以及酸位點和沸石孔道的協同作用規律和對催化活性和選擇性的影響。基于這一催化材料，項目組成功減少了當前先預聚再聚合兩步法制L-丙交酯的能耗，進一步發展了不需要預聚的乳酸一步制丙交酯的反應過程。

除了解決眼下的污染問題，探索新能源也是張建研究的重點。隨著人類社會的高效運轉，大量的燃料被消耗，雖然未來社會的汽柴油車會被電車取代，但是飛機等飛行器由于需要較高的動力，所使用的航空煤油（簡稱“航煤”）是無可替代的。近年來的研究熱點——生物質資源是指通過“光合作用”而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物?！肮夂献饔谩钡闹饕现痪褪嵌趸?，而生物質轉化主要生產兩類產品：燃料和社會發展需要的化學品?？紤]到航空運輸業在人類社會運轉中的重要作用，生物質資源為綠色高效制備高品質航煤提供了一條可行路徑。

“在眾多類型的航煤中，金剛烷基航煤具有高密度、高能量密度、低冰點、低黏度等優勢性能，近年來受烯烴工藝及煤炭利用工藝變革影響，產能持續下降，如何通過生物質制備金剛烷基航煤，成了擺在人們面前的難題?！睆埥破盏溃把芯勘砻?，倍半萜是含有3個異戊二烯單元的天然萜類化合物，可以通過生物發酵法由葡萄糖高效制備。具有環狀結構的倍半萜（例如長葉烯）經過加氫再異構的方式可以制備金剛烷基化合物。為了降低反應能耗，獲得更高的產物選擇性，人們提出通過含氫體系一步加氫異構制備金剛烷基化合物，由此，催化劑的設計制備成為關鍵?！?/p>

張建發現，將金屬顆粒包裹到ETS-10沸石中，可以獲得高濃度的空間上毗鄰分布的金屬/氧化鈦界面和固體酸位點，構筑出一種高效的金屬/酸雙功能催化材料，從而有效提升環狀倍半萜加氫異構制金剛烷基航煤反應中的活性。于是，他帶領團隊開展了國家自然科學基金項目“高效催化倍半萜加氫異構制高品質航煤的鈦硅沸石封裝金屬催化材料”的研究。目前，這一項目還在進行中，預計2026年年底結束。

“近年來，沸石催化劑已由過去廣泛應用于石油工業、化學生產等方面轉變為治理大氣污染、水污染修復等領域，特別是在助力生物質轉化方面發揮了巨大作用，這對于緩解當下緊張的能源危機，實現環境與經濟上的雙贏具有重要意義?！睆埥ㄕf，“我國的生物質資源非常廣泛，但都處于實驗室研究階段，工業化程度不高，實現生物質轉化的自動化和工業化將是我今后努力的方向?！蹦繕嗽谇?，使命催征，唯有踔厲奮發、篤行不怠，張建將一步一個腳印，在追逐夢想的道路上奮勇前進！