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绿色催化,催生绿色生态发展

2020年11月20日

■ 走进家门口的“双一流”系列报道⑤


□ 本报记者 庞 珂 方 慧        

  通 讯 员 刘 珂 王 锐/文图   

“从早上睁开眼,人们一天的衣食住行可以说都与绿色催化学科有关系。”在被问及绿色催化学科有什么直观的应用时,郑州大学化学学院党委书记李中军这样回答记者。

虽然问题问得外行,但记者也知道,只要说到郑州大学的“双一流”建设,人才辈出、成果卓著的绿色催化学科是绕不开的话题。可绿色催化是个啥?他们都在研究啥?人民群众能从学科发展里收获啥?多数人都很难说个明白。记者近日带着这些疑问来到郑州大学化学学院,希望通过亲身感受、实地探究郑州大学“双一流”建设以来的“绿色催化”学科,把这些问题搞清楚。


绿色催化是个啥?

生产生活绿色发展的“幕后英雄”


“催化是化学反应过程中非常重要的一环,工业生产中80%以上的过程都需要催化剂。”李中军告诉记者,通过开发合适的催化剂降低能耗,提高效率、收益率,实现反应过程的绿色化,这就是“绿色催化”。

“绿色催化是不直接生产产品的,而是作为一种技术渗透在许多化学反应和化工生产过程,间接产出让老百姓受益的产品。”郑州大学化学学院副院长、特聘教授付永柱补充道。

这样说还是有些抽象,一个例子可以更好地说明。“汽车轮胎胎体里用的帘子布,人们身上穿的锦纶材质的运动衫、衬衫、袜子,在本质上都是一种材料——尼龙。尼龙在生活和生产中运用非常广泛,但尼龙生产过程中需要用到的一种催化剂,原来我们国家要用日本的生产线才能生产出来。”付永柱说,上个世纪末开始,生产这种名为“环己烯”的催化剂的关键技术一直处于保密状态。不只用于尼龙,这种催化剂还可以用于制成其他多种重要的工业原料,如环己醇、环己酮、己二酸等,我们如果不掌握这种催化剂的生产技术,相关产业很难进一步发展。


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绿色催化,为绿色未来而来


面对“卡脖子”问题,在学校“双一流”建设和化学学院的重点支持下,刘寿长和刘仲毅教授团队通过科研攻关开发出完全拥有自主知识产权的“苯选择加氢绿色催化技术”,打破了国外垄断。随后,日本技术退出中国市场,这项技术实现了国内100%的市场占有率。

除了尼龙,塑料在日常生活中的出镜率也极高。生产过程中,塑化剂能让塑料更易成形、强度更强,但也常常给人类健康带来伤害。伤害小的绿色催化剂虽好,但被欧洲国家垄断数年。对此,河南省绿色增塑剂工程研究中心主任、郑州大学化学学院博士生导师刘仲毅教授带领团队研制出了绿色催化剂,打破了垄断,该类塑料的市场价格也大幅下降。

“塑化剂在塑料制品里的含量在一半左右。通过使用绿色塑化剂,那些被认为不可降解的塑料垃圾将变得可降解,在‘以塑代木’‘以塑代钢’已成趋势的今天,只有让可降解、无毒塑化剂大规模应用,才能真正把塑料制品对环境和人体的危害降至最低。”刘仲毅说。

可以发现,不管是尼龙生产,还是塑料生产,绿色催化的介入并没有直接研发出新的产品,但绿色催化技术的加入,让生产过程更清洁,产品更健康,还打破了技术垄断,更好地服务了相关产业发展。这些都无形中让人民群众的生活发生了改变,而绿色催化就像是绿色发展中的“幕后英雄”。


绿色催化在做啥?

立足当下、脚踏实地,面向未来、仰望星空


《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出“支持绿色技术创新,推动能源清洁低碳安全高效利用,发展节能环保、清洁生产、清洁能源等绿色产业”——绿色发展被放在重要位置。作为“双一流”建设高校的重点学科,绿色催化也应为国家经济社会发展做出“一流”的贡献。采访过程中,记者发现,绿色催化学科正是为“绿色”未来而来的。

氢能源效率高,用作汽车燃料时在行驶过程中只排放达到纯净水级别的水和清洁空气,故被认为是解决人类能源短缺问题的终极方案。

来到郑州大学化学学院工业催化研究所的实验室,记者在这里见到了致力于能源催化研究的李保军教授,他告诉记者他目前正在研究的就是当前大热的氢能源。

“我们经常会见到汽车的加油站和加气站,但很少能见到加氢站,对吧?我国目前生产出来的氢气都用来生产像氯化氢等工业原料,没有用来做燃料。作为一种易燃易爆的气体,怎么更安全地储存和释放氢能源,是困扰业界的一个大难题。”李保军说,要想解决生产和储存的难题,研发催化剂是关键。

目前,刘仲毅、李保军教授经过长期努力,在高效制氢研究上取得了重大突破,课题组运用纳米技术,通过特殊结构的催化剂得到了不含毒性杂质的高纯氢气,而且实现了长时间连续产氢。

“我们开发的是钴基催化剂,属于非贵金属,能够提高制氢效率、降低制氢成本。”李保军说,从一开始,课题组就奔着降低成本,使氢能源可以更好地应用于工业生产和经济生活去研究的。

当然,绿色催化相关的应用型研究还有很多:王向宇教授及其团队成员开发的“高性能微球钛硅分子筛催化剂绿色制备技术”,将传统生产方法变得更加绿色、环保,新增销售额62.9亿元;魏柳荷教授及其团队围绕“免底涂高端聚氨酯密封胶”应用需求,以产业化为导向,突破国外技术壁垒,授权系列发明专利8件,申请发明专利5件,成果转化共入账1050万元……尽管听起来有些拗口生涩,但这些成果在创造效益的同时,也正在切实地改变着我们的生活和环境。

在郑州大学化学学院的“八所一系一中心”——工业催化、能源化学、分子选控构筑与应用、功能有机化学、元素化学、晶态分子材料与器件、生命分析化学、风味化学八个研究所和化学系与化学实验中心的支撑下,化学学院近年来不仅产出了诸多应用型研究成果,同时还在进行着许多面向未来的基础型研究。

郑州大学化学学院副院长臧双全教授带领的晶态分子功能材料创新团队,针对银硫团簇合成的不确定性、不稳定性和发光量子效率低等关键科学问题,利用学科交叉的优势,融手性于发光团簇,形成一类独特的圆偏振发光金属团簇材料。

“臧教授这个听起来并不太好懂的研究成果,在国际上影响颇大,逐步形成了国际上独具特色的研究方向和新的研究热点,在该细分研究领域中占据了国际领先地位。”付永柱解释道。

从应用研究到基础研究,从让生产过程更绿色到世界领先,“双一流”建设下的绿色催化学科在做的不只是立足当下、脚踏实地,还在面向未来、仰望星空。


绿色催化发展啥?

学科发展靠科研,科研进步靠人才,人才培育是关键


作为河南人家门口的“双一流”建设高校,人民群众对郑州大学也有着别样的期待——科研水平“一流”,育人能力也须“一流”——这是老百姓对于更加公平更高质量的教育的需要。

2015年,吴记闯刚进入化学学院求学的时候,怎么也没有想到自己会因为一次研究经历而彻底地爱上科研。大一进实验室,大二在国际期刊上发表论文,如今成为郑州大学的在读研究生,未来他还计划读博继续搞科研,他笑称:“进了郑大,我的人生就好像开了挂。”

在化学学院,像吴记闯这样的学生不在少数,他们在这里有更多的平台和机会。“双一流”建设以来,化学学院获批了高等学校学科创新引智基地、先进功能材料制造教育部工程研究中心、河南省绿色催化加氢重点实验室、河南省绿色增塑剂工程研究中心等国家级和省部级科研平台,为科研和人才培养提供了先行条件。

“学生培养就好比小马过河,看再多理论,终究不是自己的。只有让他们自己去实践、探索、尝试,才能迅速成长。三全育人、一制三化、虚拟仿真、资金支持是我们本科培养模式中的四大利器。”分管学院教学工作的郑州大学化学学院副院长李朝辉提起学院的育人模式,感慨颇深。

翻看化学学院的师资名录,中国科学院院士2名、外籍院士1名,国家杰出青年基金获得者1名、“长江学者”特聘教授2名、国家海外人才计划青年项目入选者3名、国家自然科学基金优秀青年基金获得者1名,还有数十位优秀的专职教师……绿色催化学科的师资力量可谓强大,放眼全省高校都无出其二,如何用好这些名家名师资源也是一个重要问题。

绿色催化学科实行导师制、小班化、个性化、国际化育人模式,让学生站得更高、看得更远。“学生入学进行基础理论知识学习后,便开始与导师进行双向选择,跟随导师参与实战研究,接触最前沿的国际化科研动态。”付永柱告诉记者。


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与多个国内一流科研机构合作共建研究所


化学学科是实验和实践的学科,学生进入实验室、企业学习走马观花收获少怎么办?郑州大学化学学院让学生先在全国领先的“国家化学虚拟仿真教学实验中心”进行初体验,随后再到真正的实验室、生产线上去科研、实践,最大程度保证学生人身安全。“还可以补充学生的实验盲点,扎实学生的实践知识。”李朝辉说,今年疫情期间,虚拟仿真教学实验中心让学生在家也能做实验。

这样的一套操作下来,郑州大学化学学院的学生们走出校园都能独当一面,甚至很多学生还没毕业就被上海有机化学研究所、大连化学物理研究所、北京化学研究所等中国科学院的多所研究所提前招收。

近5年内,郑州大学化学学院绿色催化学科共获批37项国家级、省部级大学生创新创业训练计划项目,参加国内外各类竞赛并获奖励109项,本科生参与发表科研学术论文232篇。其中,去年被保送进入北京大学攻读研究生的赵健,本科时就在化学领域顶级学术期刊上以第一作者发表论文。

“大学之大,表面看是学校面积大、学生数量多,实际上是科研能力强、培养人才的竞争力强才算大。郑州大学化学学院近年来在加快‘双一流’建设、实现高等教育内涵式发展的过程中,注重对学生的培养,让学生也受到‘双一流’建设的红利,让人民群众也有了获得感。”李中军说。


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