徐曉穎 為低碳能源貢獻“青”力量

陳晰

我國提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的目標，為全球應對氣候變化作出積極貢獻。“碳達峰、碳中和”離不開清潔能源技術的創(chuàng)新與應用。國家能源集團北京低碳清潔能源研究院（以下簡稱“低碳院”）煤基化學品技術研究中心高級工程師徐曉穎博士，就是一位努力為低碳清潔能源貢獻力量的青年科學家。

她將目標瞄準國家需求，研發(fā)出可平替進口催化劑的高效甲醇合成催化劑，經(jīng)中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會鑒定為國際先進水平；圍繞“雙碳”目標，她在綠色低碳可持續(xù)甲醇領域主持開發(fā)適配純二氧化碳加氫制甲醇的催化劑及成套技術，助力能源領域低碳轉(zhuǎn)型。

在科技創(chuàng)新中顯擔當，讓青春在實現(xiàn)“雙碳”目標的實踐中綻放絢麗之花，徐曉穎先后獲評國家能源集團“青年科技創(chuàng)新先鋒”、國家能源集團優(yōu)秀共產(chǎn)黨員、北京市科委“卓越工程師”、中國能源研究會能源創(chuàng)新獎“優(yōu)秀青年科技工作者”等稱號。

“從0到1”的突破

走進低碳院綠色燃料研發(fā)中心實驗室，一塵不染的房間有序擺放著各種實驗儀器設備。在樣品柜中陳列著各式各樣的樣品，其中一瓶漂亮的藍綠色顆粒顯得格外醒目。徐曉穎向記者介紹，這種礦物叫孔雀石，是傳世名畫《千里江山圖》中的綠色顏料的主要成分。而孔雀石經(jīng)過一系列加工工藝，就會成為另外一種黑色的圓柱形顆粒。這就是徐曉穎帶領團隊研制的MC17高效甲醇合成催化劑，主要用于甲醇的生產(chǎn)中。

煤制甲醇技術，先需要煤氣化技術將煤轉(zhuǎn)化為由一氧化碳、氫氣及少量二氧化碳組成的合成氣，合成氣通過高溫高壓，在催化劑的作用下，就會生成甲醇。一直以來，在大型甲醇生產(chǎn)中使用的都是國外的催化劑，國產(chǎn)的催化劑在逐步替換過程中，但要實現(xiàn)完全替換，難度仍比較大。國家能源集團是全世界最大的甲醇生產(chǎn)企業(yè)和用戶。為了實現(xiàn)大型煤制甲醇催化劑的國產(chǎn)化，2015年低碳院立項，開始自主研發(fā)具有世界先進水平的煤制甲醇催化劑技術。2016年1月，徐曉穎留學回國入職低碳院，加入了項目團隊。

徐曉穎說，甲醇催化劑誕生至今已經(jīng)有百年的歷史，工業(yè)應用也已經(jīng)有60年左右了，很多科研單位和企業(yè)也一直在進行相關的研究。之所以大型甲醇生產(chǎn)中的催化劑遲遲沒有實現(xiàn)完全國產(chǎn)替代，是因為大型甲醇裝置的投資比較大，拿180萬噸甲醇生產(chǎn)的工業(yè)裝置為例，總投資要接近200億元，催化劑又是核心，如果因催化劑更換帶來不可控風險，帶來的經(jīng)濟損失是比較大的。并且，不同于有些催化劑可以分批次部分更換，根據(jù)反應情況隨時調(diào)整，甲醇合成催化劑是一次性填充，一旦失敗了就要重新卸掉換新，這樣有可能帶來數(shù)千萬元的損失。鑒于投資高、風險大等原因，影響了甲醇合成催化技術研發(fā)的腳步。

“但這也是我們的機會”，在徐曉穎看來，敢于面對挑戰(zhàn)，是青年科技工作者的使命。“國家能源集團非常重視我們的研究工作，相關研發(fā)投入一直沒有中斷過，并且我們的隊伍還在不斷壯大。”

在產(chǎn)品研制期間，項目的牽頭專家調(diào)離，徐曉穎被委以重任，從一名團隊成員成為帶頭人。剛剛?cè)鲱^的她感受到了前所未有的壓力，“作為項目帶頭人，一旦決策失誤就會把大家引向錯誤的方向，因此要不斷地學習，讓自己盡快成長。”

經(jīng)過6年的不懈努力，徐曉穎帶領團隊完成了高效甲醇合成催化劑技術“從0到1”的突破，開發(fā)了定向控制前驅(qū)體結構的多步連續(xù)共沉淀工藝，原創(chuàng)性地提出了控制催化劑前驅(qū)體催化結構的慢速除水干燥工藝，創(chuàng)新了增強催化劑物理強度的干法成型工藝。

2021年12月27日，是讓徐曉穎難忘的日子。這一天召開的中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會科技成果鑒定會上，“MC17高效甲醇合成催化劑技術”成功通過鑒定。這也是讓徐曉穎感到最有成就感的時刻。“中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會代表著國內(nèi)石油化工行業(yè)的最高水平，能夠得到認可，我感到非常高興”，她感慨道，“在各級領導的支持、技術開發(fā)團隊的不懈努力和合作伙伴的大力配合下，我親眼見證了一項技術如何逐步實現(xiàn)從無到有的質(zhì)變和從一再到多的二次量變。”

同時，徐曉穎也感到肩上的擔子更重了。不斷開拓創(chuàng)新，推動技術繼續(xù)升級換代，成為她新的目標。在之前的研發(fā)基礎上，她帶領團隊又開始了適配“二氧化碳加氫制甲醇”的MC21型催化劑及成套技術的研究。

綠色甲醇助力“雙碳”目標

甲醇因為含碳、氧原子，燃燒更加徹底，完全燃燒排放物中只有二氧化碳和水，且二氧化碳又是合成甲醇的原料，是世界公認的可實現(xiàn)碳循環(huán)利用的清潔燃料，但綠色甲醇對生產(chǎn)原料端要求更高一些。我國作為甲醇產(chǎn)、銷、用大國，隨著相關技術的發(fā)展，以甲醇作為燃料的轎車、重卡等車型正在被廣泛應用，甲醇柴油雙燃料船訂單也在逐年增加。

二氧化碳加氫制甲醇技術路線若想獲得國際綠色認證，綠氫是其中的關鍵之一。徐曉穎介紹，綠氫除了用可再生能源電解水之外，還可以采用“生物質(zhì)制氫”技術：用農(nóng)林廢棄物，如秸稈、樹木減枝、動物糞便等，經(jīng)過氣化或催化轉(zhuǎn)化制氫，與空氣中捕集來的二氧化碳在催化劑的作用下合成甲醇。整個生產(chǎn)過程不僅沒有增加二氧化碳的排放，而且還將大量的二氧化碳從空氣中捕集，從而實現(xiàn)“碳中和”。綠色甲醇不僅市場前景巨大，而且還可以享受綠色能源的產(chǎn)品溢價。

“得益于之前積累的經(jīng)驗，催化劑產(chǎn)品的開發(fā)比較順利”，徐曉穎說。依托北京市科委“卓越工程師”人才項目，她帶領團隊完成了二氧化碳加氫制甲醇催化劑小試配方開發(fā)、噸級放大和3000小時壽命測試，工業(yè)單管模式2000小時長周期壽命測試，完成了100噸/年達產(chǎn)測試，正在開展千噸級甲醇生產(chǎn)的中試測試。

杭州第十九屆亞運會開幕式上萬眾矚目的數(shù)字火炬手，點燃的就是綠色甲醇。負責研發(fā)“綠色火炬”的白馬湖實驗室，和浙江大學等單位合作了二氧化碳生成綠色甲醇項目，利用可再生資源開發(fā)綠色氫氣，將煙氣中收集到的二氧化碳與綠色氫氣反應生成綠色甲醇燃料。“這個項目在初期調(diào)試階段使用的就是我們的催化劑產(chǎn)品。”徐曉穎說。目前產(chǎn)品在100噸級/年綠色低碳甲醇中試裝置完成達產(chǎn)測試，正在籌建千噸級中試，籌編10萬噸/年工藝包。

堅持才能跨越“死亡之谷”

從MC16 、MC17，到MC21、MC22……徐曉穎帶領團隊將研發(fā)產(chǎn)品實現(xiàn)了一系列的迭代。隨著能源變革在全球范圍內(nèi)深入推進，綠色氫能源發(fā)展步入快車道。在外人看來，搶占了綠色能源的“賽道”，徐曉穎和團隊是幸運的，但很少有人知道，她的研發(fā)項目也曾經(jīng)遭遇“死亡之谷”。

第一款產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)歷了五年的時間，團隊一度面臨著要被解散的危險。徐曉穎說，產(chǎn)品在實驗室的小試很成功，也經(jīng)過了第三方測試機構的檢驗，得到很高的評價，但是遲遲不能實現(xiàn)量產(chǎn)。在化工行業(yè)，新工藝的過程繞不開逐級放大，從實驗室到中試再到工業(yè)示范，最后才能產(chǎn)業(yè)化。這個過程需要合適的大型生產(chǎn)裝置，需要大量的資金。

那段時間，徐曉穎不斷地走出去，和企業(yè)負責人談：“我們的催化劑做得很不錯，各方面指標都很好，能不能找機會用一下？”她坦言，要跟企業(yè)講清楚技術前景和優(yōu)勢，說服他們支持建設工業(yè)規(guī)模的催化劑生產(chǎn)裝置，對一直從事技術研發(fā)工作的自己來說，是很大的挑戰(zhàn)。

在多方溝通下，終于有國內(nèi)的一家企業(yè)同意進行試驗。但前提是要求雙方共同出資分擔風險。徐曉穎又去爭取院里的支持。“雖然我們一直沒有出成果，但是領導決定最后再支持我們一次。現(xiàn)在回頭看，頗有點不成功便成仁的感覺。”

之后，徐曉穎來到這家企業(yè)，并在這里安營扎寨，開始了工業(yè)性試驗。2019年底遭遇新冠肺炎疫情，材料運輸、人員、生產(chǎn)都受到限制。克服疫情帶來的巨大困難，徐曉穎在外地度過了200多個日夜，2020年的春節(jié)，她也是在工廠度過的。催化劑生產(chǎn)涉及嚴格的品控，在這家企業(yè)生產(chǎn)的催化劑也郵寄到北京實驗室同步測試和開展活性評價，最終在團隊的共同努力下，成功實現(xiàn)高效MC17甲醇合成催化劑的百噸級量產(chǎn)試生產(chǎn)。

2020年11月27日，MC17甲醇合成催化劑在江油萬利12萬噸/年天然氣制甲醇工業(yè)裝置上首次實現(xiàn)工業(yè)應用。在現(xiàn)場考核中，評審團隊一致認為 ，MC17甲醇合成催化劑在首次工業(yè)應用中表現(xiàn)出優(yōu)異性能：在同等操作條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫活性和高選擇性。2021年12月18日，中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織專家對MC17甲醇合成催化劑開展技術鑒定，在催化劑強度和甲醇時空收率方面處于國際先進水平。

“此后，我們的項目得以繼續(xù)推進，實現(xiàn)了對外技術許可，慢慢地打開了局面。”回望這個過程，徐曉穎說，“每一個新項目在開發(fā)過程中可能都會遭遇‘死亡之谷。我們年輕，就應該無畏。我常常和大家說，就算最終證明這條路走不通，大不了換一個方向再來。是大家在低谷時的共同堅持，才實現(xiàn)了最終的突破。我深刻體會到技術開發(fā)的前行道路充滿挑戰(zhàn)，但一定要目標明確。”

做改變現(xiàn)實的事情

徐曉穎團隊研發(fā)的催化劑產(chǎn)品除了用于甲醇合成之外，還有很多其他的用途，比如可以用來將甲醇裂解制氫，有助于破解氫能“制儲運加”各環(huán)節(jié)難題。再比如，銅系催化劑經(jīng)過一系列反應，形成新的聚合物，可以作為一種高端材料……因此，這個研究領域仍然大有可為。在催化的世界深入探索，徐曉穎先后主持北京市科委“卓越工程師”專項1項、國家能源集團科技創(chuàng)新項目2項、低碳院自主研發(fā)項目2項，作為核心研發(fā)人員參與國家重點研發(fā)計劃項目3項、低碳院自主研發(fā)項目2項。發(fā)表學術論文21篇，授權發(fā)明專利6項，參編論著2部，參編團體標準2項，主編團體標準1項，獲中國質(zhì)量協(xié)會獎勵1項、低碳院科技獎勵5項。

科研工作之外，和企業(yè)談合作、盯生產(chǎn)，徐曉穎是不折不扣的“空中飛人”，一年有三分之一的時間在外地。2023年，僅僅手機上的飛行記錄就有40多次。周末和節(jié)假日，她大多是在現(xiàn)場或出差中度過的。但是徐曉穎說，這種忙碌完全是“自愿”的，因為目標在前，她常有一種時不我待的緊迫感。

講起自己從事科研工作的“初心”，徐曉穎說，因為高中到大學時化學成績一直不錯，讀研究生時她選擇了催化專業(yè)，主攻催化中間體的制備和催化背后的深入反應機理研究，感到“越學越有興趣”。讀研究生期間，蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工大學（ETH Zurich）的退休教授Roel Prins在大連理工大學擔任特聘教授，成為徐曉穎的指導老師之一。“他的研究水平非常高，邏輯推理十分清晰，即使面對不太熟悉的領域也能通過超強的學習能力逐個攻破，他的言傳身教對我影響很大。”徐曉穎回憶。

碩士畢業(yè)后，在Roel Prins教授的推薦下，徐曉穎來到了蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工大學繼續(xù)攻讀博士學位。蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工大學是世界上最著名的理工大學之一，擁有愛因斯坦、倫琴、約翰·馮·諾依曼等多位杰出校友。在這樣的環(huán)境熏陶下，徐曉穎得以拓寬自己的學術視野。“在瑞士讀博士期間，我就接觸到了一些科研團隊在研究二氧化碳加氫制甲醇的相關技術，沒想到成為我現(xiàn)在的研究方向。”

回顧自己的求學之路，徐曉穎說，讀書期間最想做的事是選擇一個科技“無人區(qū)”，創(chuàng)造全球范圍內(nèi)獨一無二的科技，但后來發(fā)現(xiàn)那樣的技術在短時間內(nèi)很難落地，而自己更希望能做改變現(xiàn)實的事情，覺得那樣更有意義。因此在博士畢業(yè)后，她加入了國家能源集團低碳院，選擇了甲醇這個有著廣泛應用的化工領域。

現(xiàn)在，徐曉穎也在帶學生。國家能源集團和北京化工大學進行校企合作，聯(lián)合培養(yǎng)碩士、博士研究生。作為實習生導師，徐曉穎常常對學生說，希望你們是因為興趣在做研究，主動思考，發(fā)現(xiàn)問題，想一想我能給這個行業(yè)解決什么問題，這樣自己的研究才更有價值、有意義。

展望未來，徐曉穎說，我們目前從事的甲醇領域技術，可以上接傳統(tǒng)能源煤、天然氣，也可以下連風光、生物質(zhì)、氫能等可再生能源，且甲醇在航運業(yè)的應用正在興起，對發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力有承上啟下的作用。隨著科技的不斷發(fā)展，有了AI技術的輔助，加上對機理的深入了解，希望能做出更優(yōu)秀的催化劑，在全國甚至全球多個國家、地區(qū)應用，為實現(xiàn)綠色發(fā)展貢獻自己的力量。

責任編輯 華南