自從陰差陽錯地搞上化學化工以來不覺從事催化科學技術研究和發展已經四十多年了。在老一輩導師、師長和領導的帶領培養下,已經從年輕小伙成長到人生的古稀之年,留下了長長的人生軌跡。
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從文化大革命后的1978年第一次在大連舉行的全國催化會議以來,作為催化科技工作者,除了不可抗拒的原因外(如不在國內)我幾乎參加了所有的全國催化學技術研討會。還有興趣與同行倡導了一些專業性的全國催化學士會議,包括有催化動態分析學術會議、催化劑制備學術會議、環境催化學術會議和精細化工催化學術會議。因為我在不斷地為我國的催化科學和技術的發展做著非常美好的夢,雖然不同階段有著不同的夢。
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夢不斷地做,也不斷地圓或者破。
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自己認為到現在已經可以說有的夢已經圓的不錯了。其中的一個夢就是想把自己在催化科學和技術研究中的一些成果以及自己培養和協助老一輩科學家培養的研究生特別是博士生在催化領域中的研究成果能夠反映到了已經寫成的著作中。
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這個夢隨著自己五本著作的出版差不多已經圓了。這些在催化科學和技術中的研究成果幾乎全部作為著作內容的一部分進入到我們的五本著作中:
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2001年出版的《吸附與催化》,涉及的主要是固體催化劑的動態表征技術和孔結構方面的研究成果,也就是用吸附來研究催化劑的基本性質和催化反應動力學,這是作者在上個世紀70年代后期到80年代的主要催化研究領域,多個博士生的研究成果成為該書的重要重要章節中的基本內容;
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2007年出版的《催化反應動力學》,這一直是我在催化科學研究的主要領域,尤其是動態和使用計算機和模擬和實際實驗兩手對催化動力學進行的研究,多個博士生的研究成果以獨立的章節得到充分的反映;
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2011年出版的《催化反應工程基礎》和“《催化反應器工程》,涉及多孔固體催化劑特別是分子篩中的吸附、擴散、傳質等研究工作,特別是關于動態方法測量多孔固體分擴散系數的研究,也是在于我的研究生導師陳家鏞院士以及閔恩澤院士指導的催化反應工程和反應器工程工作和積累的總結,幾個博士生的研究成果在成為相關章節中的主要內容;
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2012出版的《固體催化劑制備原理與技術》,實現了多年來把固體催化劑制備科學和技術進行初步系統化的夢想
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(以下摘自該書前言中的一段:? ?隨著催化科學和工程科學特別是固體材料表征技術的不斷發展,催化科學家一直努力想把催化劑制備的技藝科學化。為此,自上個世紀1976年以來每隔四年定期在比利時召開國際催化劑制備會議。由于愈來愈認識到催化劑制備科學和技術發展的重要性,國內的催化科科學家包括本書的作者曾試圖說服比利時催化科學家同意把催化劑制備的國際會議放到中國來召開,但是比利時不愿意打破不到其他國家召開的慣例。于是,本書作者倡議并籌辦全國催化劑制備科學和技術的研討會,第一次會議在1992年于太原市召開,至今已經開了七次會議。今年(2012,11.15-18)年將由福州大學籌辦第八屆催化劑制備科學和技術研討會。雖然這些專題會議與催化其他會議為催化劑制備科學和技術積累了大量的有用信息(數據和材料),但是對催化劑制備技術所依據的科學原理和物理化學基礎的敘述仍然缺乏總結和系統化。而這正是作者多年來的愿望。在正式退休后,有比較充裕的時間來閱讀有關催化劑制備的物理化學基礎方面的文獻,結合作者自身做催化研究40余年積累的大量經驗,試圖把有用的尚未系統化信息和素材加以歸納總結,把固體催化劑制備的科學原理初步系統化,這就是作者寫這本“固體催化劑制備科學院與技術”的初衷,這個愿望終于可以實現了。)
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在相關的章節中充分反映了使用超臨界技術制備超細納米催化劑的多個博士生的研究成果。
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作為一位老的催化科學技術工作者,雖然在非常年輕時(大學的畢業設計時)就接觸到乙炔和氯化氫在汞活性炭催化劑上合成氯乙烯,但真正進入催化領域是在到中科院山西煤炭化學所(在文化大革命時期)以后。由于陳家鏞導師和彭少逸院士的引導和帶領,接觸到催化科學和技術的幾乎所有主要領域。
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在四十多年的工作經歷中,可以分為明顯不同的三個階段:
1. 掌握基礎知識打下堅實催化基礎的階段;
2. 涉及和解決精細化學品合成中催化的技術問題的階段;
3. 總結研究工作和培養研究生所積累的成果和經驗形成系統的各催化基本領域形成著作的階段。
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我國真正開始催化科學技術的發展應該說始于文化大革命后,那時需要大量接觸國外先進的催化和技術。 在上個世紀的70年代以后,絕大多數做催化研究的都要求做開發催化劑的工作,很少愿意做非常吃力而且很難獲得好成果的催化反應動力學和機理方面的研究和實驗工作。我在彭少逸院士指導下利用自身數學和工程上的良好基礎和優勢,認真閱讀翻譯了幾本催化科學技術基礎的英文書籍(動力學與催化、非均相催化中的傳質等),以及盡可能多地閱讀有關催化反應動力學和機理、催化反應工程、催化動態分析(表征技術)等方面的文獻。那時發表的對同行有點幫助的文章有《無梯度催化反應器》、《柱色譜理論》、《孔結構分析系統化》以及《纖維催化劑床層的動態分析理論》(被催化學報創刊號錄用并被編排在頭版位置)等。
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由于參加國內的學術會議多,帶來的一個有意思的結果是,把超細粒子的概念從冶金物理學界引入到國內的催化界,并積極倡導把超臨界技術用于制備超細粒子催化劑以及用于研究催化反應(1986-1988年間在“石油化工”上發表了有關超細粒子催化劑、超臨界技術用于超細催化劑制備和超臨界技術用于催化反應等三篇文獻評述的文章)。
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當然,在山西煤化所首先對超細粒子催化劑制備表征和應用進行了系統性的研究,建立了國內第一套超臨界干燥制備超細粒子的裝置。那時培養的研究生特別是博士生選擇的研究的課題幾乎都集中于催化動態分析、超細粒子催化劑的超臨界制備表征和應用、催化過程的計算機模擬和催化劑的計算機輔助設計等方面。對研究課題的分散,當時國家自然科學基金委物理化學學科的張慧心教授曾問我,為何不把研究面集中一些,我回答說這樣更加有利于研究生的培養,這是進行催化科學和技術基礎研究的黃金階段。
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在離開中科院山西煤炭化學所以后,就再也不能夠進行范圍相對廣泛的催化科學技術基礎方面的研究,只能夠被迫為浙江的民營企業服務。有好的催化基礎,一定能夠為民營企業做出貢獻,做出有實際經濟效益的成果。
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這里舉幾個相當成功的例子。
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我的老家浙江新昌縣集中了世界60%的維生素E的產量。在上個世紀末,在維生素生產過程中所使用的鈀/碳催化劑都需要進口。在短期內,我們研制的鈀/碳催化劑完全達到了進口水平,并幫助企業建立了活性炭負載貴金屬催化劑的生產車間,同時傳授從廢催化劑中回收貴金屬的技術。該車間自建立以來,一般的年制備催化劑的量在10噸多,年產值在1個億以上,按催化劑企業的利潤一般不低于20%計算,年利潤在2000萬以上;
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另一個例子是維生素A生產中關鍵的一步是所謂縮合物的催化加氫也就是一個相當大分子的三鍵的選擇性加氫。對該過程企業讓我們改進工藝提高維生素A的收率。利用和依靠自身的基礎和積累,我出了一個點子,并用小試結果證明該點子的實用性。這個點子企業花了七年時間才實現產業化,使維生素A的收率從56-58%提高到>68%,據該企業的技術人員告訴我,每提高一個百分點產生的純利潤大于1000萬,這個點子為企業年創利潤超過一個億;
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第三個例子是在另一家企業,原來在一噸產品中催化劑的成本就要占1萬多,通過我們傳授技術并采用我的建議后,該產品的催化劑成本已經被降低到1000元左右。實際上,催化技術在精細化學品合成中,特別是使其綠色化和低碳化中是大有可為的。
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第三個階段是退休后,雖然仍然在為一些民營企業服務,也應聘到一些學校如上海師范大學講一些課和幫助帶研究生。但是,總有較多的時間可以用來比較系統低閱讀大量文獻,并有時間來思考和總結評價多年來在催化科學技術研究中積累的經驗和教訓,結合閱讀的文獻材料和觀點,這樣就產生了能夠寫點對同行特別是年輕人有所幫助和裨益的東西。于是從2004年開始(從臺灣回來后)又有了新的催化夢,就是要寫基本有關催化可續而技術各個領域的教材和參考書。令自己都感到驚奇的是,這樣的夢已經接近基本實現:
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催化劑表征(動態吸附表征):“吸附與催化”(2001年);
催化反應動力學與機理:“催化反應動力學”(2007年);
催化反應工程:“催化反應工程基礎”(2011年);
催化反應器:“催化反應器工程”(2011年);
催化劑制備科學與技術:“固體催化劑制備原理與技術“(2012年)。
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也就是說,對催化科學技術的幾個重要的基本領域已經形成各自相對獨立的著作。接下來的夢是催化技術在國民經濟關鍵領域中的應用。
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準備在有生之年在完成三本書:
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“精細化學品合成的催化技術—-綠色低碳化的必由之路”(化學工業出版社,2013年)
“結構催化劑與污染物治理”(化學工業出版社,2014或2015年)
“煤炭能源催化轉化技術”(化學工業出版社,2016或2017年)
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在編著有關催化可續而技術領域一系列書籍的過程中,經常反復思考我國的催化科學和技術的研究和發展這樣的問題。
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下面想談一談在這樣的思考中,經常涉及的若干重點問題和獲得的心得。當然這只是個人的看法,很可能是錯誤的,說出來的目的是希望大家來討論,不可能很快達到一致,只希望能夠來思考這些看法和問題。
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第一個問題是,長期以來,有關催化和催化劑的思路,對催化工作者,總是以物理化學的背景和物理化學的角度來思催化劑和催化過程以及說明催化劑的作用,例如總是認為催化劑特別是固體催化劑表面存在所謂的活性中心或活性位。幾乎所有對催化的一切研究,總是離不開這個概念,不管是改進現擁有的催化劑或開發全新的催化劑。但是這樣的概念是否有局限性,如果有又在哪里?物理化學界很少有人這樣來思考,因為涉及的基本上是氣固非均相催化反應。
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與物理化學家研究催化不同,有有機化學家背景的催化研究者,卻把催化劑看成只是試劑一樣的東西,也就是把催化劑看成是一種(特殊)反應試劑,不管催化劑是固體還是液體,原因之一可能是它們研究的催化反應基本上是在液相中進行,溶劑的影響幾乎是難以避免的。當然這樣的視角也尤其局限性。
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第三種是背景相當廣泛的催化研究者,他們多數致力于手性藥物的催化合成研究,他們認為催化劑特別是手性催化劑,其配體起著對催化反應特別是手性選擇性的支配作用( 2001年的諾貝爾化學獎獎給了分別發現通用的手性配體BINAP和磷配體特別是DIPAMP的兩位化學家)。也就是說反應物或產物都可能成為催化劑的配體,即催化劑環境對催化起著關鍵的作用。這與我們從石油煉制和石油化工工業中發展起來的固體催化劑環境有著顯著的不同。
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這些不同背景的催化研究者對催化的不同思考方式是否值得我們吸收和重視呢。固體催化劑表面在催化反應中是否會隨著反應環境的改變而改變呢,如有人把催化劑表面說成是“變色龍”也就是隨著反應環境的改變而改變的觀點對催化研究特別是新催化劑的開發是有積極意義還是只起反作用?國際純粹化學聯合會對催化劑的定義(催化劑是改變化學反應速度但不改變反應吉布斯自由能的物質)和只有轉化數TON大于1的物質才能稱為催化劑的定義顯然角度不同,但兩個定義的含義是否完全一樣?
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第二個問題是,我國的催化科學和技術的發展幾乎長期以石油煉制和石油化工的催化研究為中心(或說得不太客氣一點是壟斷),這對我國催化科學和技術的發展是有利還是不利?是否到了應該改變過于局限壟斷的局面的時候了,是否也到了開闊更大視野的時候了?作為指導學術發展的國家自然科學基金會和中科院是否應該站到更高的高度來思考我國催化科學和技術的發展?
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第三個問題,對作為國家能源環境的最大問題之一的環境治理中的催化劑和催化反應器,它與傳統石油化工催化研究顯然有相當的不同,是否應該跳出框框,對所謂結構催化劑和結構反應器予以更多的重視。
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總之希望自己的夢能夠圓,希望我國的催化科學和技術能夠隨著我國國力的增強,愈來愈站到國際的前列。
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