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【半月談】扎根西部，他們甘做產(chǎn)業(yè)“催化劑”
半月談?dòng)浾?張文靜
催化學(xué)科是化學(xué)科學(xué)的關(guān)鍵分支，被譽(yù)為人類(lèi)物質(zhì)文明的創(chuàng )造者。若缺乏催化手段，人類(lèi)將無(wú)法成功制造出所需的各類(lèi)衣食住行材料。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所（以下稱(chēng)“蘭州化物所”）羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗室自成立以來(lái)，扎根我國西部，甘做“催化劑”“中間體”，在人工合成橡膠新技術(shù)等領(lǐng)域取得令人矚目的科研成果。在國家“雙碳”戰略背景下，蘭州化物所調整學(xué)科研究方向，聚焦二氧化碳減排與利用，著(zhù)力推動(dòng)自主創(chuàng )新，為二氧化碳利用研究貢獻戰略力量。
實(shí)驗室主任石峰（左）在指導團隊成員進(jìn)行實(shí)驗
打破壟斷，一流催化成果服務(wù)工業(yè)發(fā)展
數據顯示，化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。在化學(xué)工業(yè)中，大約90%的過(guò)程需要用到催化劑。
“人們日常吃穿用都離不開(kāi)化學(xué)化工與催化，像煤炭、石油等資源，都需要催化轉化，才能成為可供生產(chǎn)所用的基礎材料?！濒驶铣膳c選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任石峰說(shuō)，作物健康生長(cháng)需要氮肥，生產(chǎn)氮肥則需要氨氣?？茖W(xué)家發(fā)明催化劑，將氮氣和氫氣轉化為氨氣，進(jìn)而合成氮肥。氮肥的人工合成保障了糧食安全。
制備各種合成材料的關(guān)鍵反應也離不開(kāi)催化過(guò)程，其中最重要的兩個(gè)手段就是羰基合成和選擇氧化?！昂芏喔邫n服裝都用到聚酯纖維，聚酯纖維生產(chǎn)涉及乙二醇和對苯二甲酸兩個(gè)關(guān)鍵原料。二者分別通過(guò)羰基合成和選擇氧化反應得到?！笔逭f(shuō)。
早在20世紀60年代，蘭州化物所就緊盯國家發(fā)展和國民經(jīng)濟需要，聚焦催化學(xué)科，甘做“催化劑”。彼時(shí)，我國不管是航空航天事業(yè)發(fā)展還是路網(wǎng)建設，均需要大量橡膠輪胎和多種橡膠制品。
橡膠分為天然橡膠和合成橡膠兩大類(lèi)，當時(shí)我國沒(méi)有種植橡膠樹(shù)，只能依賴(lài)進(jìn)口?？墒?，主要橡膠生產(chǎn)國對我國實(shí)行經(jīng)濟封鎖，幾十噸大米換不來(lái)一噸橡膠。在這種情況下，蘭州化物所研究人員積極對接國家戰略需求，自主創(chuàng )新，發(fā)展人工合成橡膠工業(yè)，以獲得奇缺的戰略物資。
蘭州化物所研究員丑凌軍介紹，要發(fā)展人工合成橡膠工業(yè)，必須通過(guò)催化，合成關(guān)鍵單體原料丁二烯。從20世紀60年代至80年代，在幾代科學(xué)家的接續奮斗下，蘭州化物所成功突破順丁橡膠關(guān)鍵單體丁二烯合成的關(guān)鍵技術(shù)，打破國外技術(shù)封鎖和壟斷，為利用新型工藝大規模生產(chǎn)橡膠奠定理論基礎與技術(shù)基礎。
緊盯前沿，助力關(guān)鍵催化劑研發(fā)
2019年，第四屆聯(lián)合國環(huán)境大會(huì )發(fā)布《全球化學(xué)品展望II》報告顯示，全球化學(xué)品的生產(chǎn)能力為23億噸，經(jīng)羰基合成的化學(xué)品大約占20%。
蘭州化物所研究員夏春谷表示，羰基合成在化學(xué)化工領(lǐng)域非常重要，基于這一反應過(guò)程，可以衍生出一系列高附加值產(chǎn)品，因此在工業(yè)上得到廣泛應用。1989年，研究所啟動(dòng)建設羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗室，聚焦“卡脖子”領(lǐng)域，解決國民經(jīng)濟發(fā)展所需，成為國內最早開(kāi)展羰基合成的研究單位之一。
塑料加工離不開(kāi)增塑劑，增塑劑可以幫助塑料產(chǎn)品成型、改善性能。過(guò)去，我國使用的增塑劑耐油、耐水性能等較差。同一時(shí)期，歐美發(fā)達國家已使用綠色增塑劑“鄰苯二甲酸二異壬酯”。制造這一增塑劑，需要關(guān)鍵中間體異壬醇，而異壬醇的生產(chǎn)長(cháng)期被國際公司壟斷。
為發(fā)展屬于自己的綠色增塑劑，蘭州化物所與中國石油化工集團有限公司石油化工科學(xué)研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了“碳八烯烴氫甲?；苽洚惾纱肌奔夹g(shù)，形成每年5萬(wàn)噸的成套技術(shù)設計，于2020年11月通過(guò)中國化工學(xué)會(huì )組織的成果評價(jià)。專(zhuān)家組認為，該技術(shù)達到國際先進(jìn)水平，填補了國內異壬醇技術(shù)的空白。
實(shí)驗室研究人員正在開(kāi)展分析測試研究
創(chuàng )新技術(shù)路線(xiàn)，支撐國家“雙碳”戰略
在國家“雙碳”戰略背景下，高效利用二氧化碳，對“碳減排”和“碳增匯”意義重大。如何將二氧化碳直接轉化為高附加值的化學(xué)品？羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗室緊密?chē)@二氧化碳利用的學(xué)科前沿，致力于構建二氧化碳和低碳資源利用的創(chuàng )新研究體系，發(fā)展新理論和新技術(shù)。
夏春谷介紹，作為一種性能優(yōu)良的有機溶劑，碳酸乙烯酯廣泛應用于合成材料中間體制備、鋰離子電池電解質(zhì)、精細化工生產(chǎn)等領(lǐng)域。二氧化碳經(jīng)過(guò)催化反應，就可以轉化為碳酸乙烯酯。2023年，實(shí)驗室與江蘇鳴川新材料有限公司合作實(shí)施了年產(chǎn)10萬(wàn)噸的產(chǎn)業(yè)應用并成功獲得高品質(zhì)產(chǎn)品，開(kāi)拓出一條推動(dòng)二氧化碳資源化利用的新路徑。
“提純二氧化碳，能耗和成本高，運輸和儲存難。我們將煙道氣中的二氧化碳原位捕集和轉化，實(shí)現環(huán)狀碳酸酯高效合成，為工業(yè)廢氣中二氧化碳的原位轉化利用提供了可靠技術(shù)手段?！笔灞硎?，目前，正和相關(guān)企業(yè)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應用。
我國能源結構總體呈現貧油多煤局面，發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)是我國實(shí)現資源能源安全保障的必由之路。目前我國形成以煤炭為原料的全新乙醇產(chǎn)業(yè)，如何基于煤基乙醇構建煤基化工產(chǎn)業(yè)鏈，成為擺在催化工作者面前的重要任務(wù)。
2023年，中國科學(xué)院批準羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗室重組建設低碳催化與二氧化碳利用重點(diǎn)實(shí)驗室，實(shí)驗室優(yōu)化人才配備，調整科研方向，最終成功突破煤基乙醇催化脫氫制備乙醛的工藝技術(shù)路線(xiàn)，使煤基乙醇向新材料、精細化工、生命科學(xué)等高端產(chǎn)業(yè)鏈延伸，實(shí)現高附加值利用。
實(shí)驗室研究員崔新江告訴半月談?dòng)浾?，傳統乙醇氧化法制乙醛會(huì )產(chǎn)生污染，新研發(fā)的技術(shù)路線(xiàn)可以讓煤基乙醇直接無(wú)氧脫氫制成乙醛，既簡(jiǎn)化工藝過(guò)程，又實(shí)現無(wú)三廢排放。編輯：徐寧
