刘寿长:坚守催化事业初心不改

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文章来源: 河南科技报

刘寿长:坚守催化事业初心不改

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刘寿长教授。(资料图片)

刘寿长(右)获“中国网事·感动2020”年度人物荣誉称号。(资料图片)

刘寿长在实验室。(资料图片)

2014年,刘寿长从郑州大学退休,退休前他是郑州大学化学学院(原化学系)教授,博士生导师。刘寿长一生致力于苯制环己烯的研究与开发工作,该项研究于2010年实现工业化,成功打破国外技术垄断,使我国成为世界上第二个实现该项技术工业化并拥有完全自主知识产权的国家,迄今已在全国推广应用,整体技术居国际领先水平。

坚守催化事业初心不改

1982年本科毕业后,刘寿长师从时任郑州大学化学系系主任的王文祥教授攻读物理化学硕士学位,在导师的指导下开始学习催化化学(主要是研究各种新兴催化技术在绿色化学、生物医药等领域的应用,80%以上的化工过程都与催化作用有关),在此后长达40年的时间里,“催化”成为刘寿长一以贯之的研究方向。

20世纪90年代,中国正处于改革开放后的高速发展期,对尼龙材料的需求量很大。其中,尼龙6是尼龙材料中应用量最大、应用范围最广的产品之一,可广泛应用于纺织业、汽车业、电子制造业,与国计民生息息相关。但尼龙6的绿色合成技术需要环己烯,而环己烯的制备则需要特定的催化剂。这种催化剂的制备技术在当时被日本旭化成公司垄断。1995年和2005年,日本旭化成公司曾先后两次将生产技术转让给我国并收取数十亿元的“技术转让费”,同时定量供应催化剂,严重制约了我国制造业的发展。

1997年博士毕业后,刘寿长所在的科研团队决定突破这一“卡脖子”难题,自主研发加氢催化剂,他们选择突破的技术难关被称为“苯选择加氢制环己烯催化技术”。

苯选择加氢,又称苯部分加氢或苯不完全加氢。简单地说,这一过程是以石化或煤化企业丰富的苯为原料,在催化剂作用下选择性加氢生产环己烯及其下游产品。

实际上,这一过程并不容易。环己烯是苯加氢生成环己烷过程中的中间产物,苯分子极易对称活化,全部加氢生成环己烷很难将反应停留在环己烯生成阶段。所以,苯部分加氢制环己烯,是加氢领域的世界性难题。

做化学实验需要足够的耐心。苯制环己烯,反应温度、反应压力、催化剂浓度、进料比等因素都会影响环己烯的选择性。

功夫不负有心人。2009年,刘寿长的科研团队实现了苯制环己烯催化剂制备技术国产化。2010年,实现了苯制环己烯整体技术的工业化。我国自此成为世界上第二个实现苯选择加氢制环己烯技术工业化并拥有完全自主知识产权的国家,实现尼龙材料年产量百万吨。这使得日本旭化成公司最终选择退出中国市场,国产尼龙材料的成本大幅度降低。

从事科研工作莫怨天尤人

苯加氢路线制环己酮、己二酸技术是催化化学中的常用技术。传统的苯完全加氢路线,生产过程中有自由基反应,存在安全隐患,会出现复杂的副产物,转化率低且耗能大。苯选择加氢制环己烯路线生产的副产物则是可被利用的环己烷,生产过程更加安全,碳原子利用率可达100%且废弃物排放近乎为零,具有高原子经济性和环境友好性,在环境问题日趋严峻的背景下具有广阔的发展前景。

1980年,瑞典化学家已提出分步加氢机制,1989年,日本实现苯选择加氢催化技术工业化。此后,在国际上,苯选择加氢的理论一直在不断进步与完善,但国内始终未能突破这一难题。这主要是由于苯选择加氢路线需要高选择性的催化剂、加氢反应器。这种催化剂制备的难度高,一般的实验室并不具备制备条件,因此在国内少有人对此进行深入研究。

从科学进步的角度来看,攻入“无人之境”是每一个科研工作者的使命。有些课题和领域并不是看不见攻克的希望,而是很难去评估它所需要的时间和经济成本。同时,这也是一场竞赛,谁能更快取得成果,谁就能更快进入一流的行列,但相对应的,也有长期努力付诸东流的可能。苯选择加氢路线并不是当时国内合成尼龙材料的唯一选择,也有不少课题组选择了门槛更低、收益更快的路线。

对于刘寿长课题组的所有人而言,漫长的实验过程不过是日常生活中的一部分。刘寿长并不认为实验条件的好坏是能否出成果的决定性因素,他说:“当时没好仪器,没有自己的实验室,最多一个老师有一个办公室。那就坚持做,从事科研工作就得靠人做。老师们都是两点一线,一心搞科研,持之以恒,拿数据说话。”

技术实现关键进展以后,刘寿长将成功归因为学校、政府的支持以及老师们“不破楼兰终不还”的精神。他说:“我对郑州大学的感情很深,现在实验室的条件比以前好多了,郑州大学一直都在进步。从内心说,我们中的大部分人就是为了给国家做贡献的,我们的技术是领先的,是大家看得见的,是实实在在的。从事科研工作,不要怨天尤人,资源不够并不是放弃的理由。”
在培养学生上,刘寿长也是如此。郑州大学化学系是该校建校伊始设立的三个系之一,现已进入ESI世界前1‰,其所培养的本科生大多数都经推免或联考进入其他重点高校继续攻读硕士或博士学位。刘寿长说:“能考入我们专业的学生都是出类拔萃的。他们来了,我们作为老师,就要把他们当成自己的孩子。做老师得有这样的心理,要帮助他们顺利毕业,给他们推荐好的工作。”
遇见什么问题就攻克什么问题,科研成就不是怨天尤人者能摘取的果实。刘寿长始终相信这一点。

未尽的研究和无尽的探索

刘寿长团队开发的新兴催化体系和催化剂制备技术,对环己烯表现出高达80%的选择性,整体技术处于国际领先水平。一套装置可为国家节省催化剂购买费上千万元,每条生产线可新增产值数亿元。、

但科学研究永无止境。

从热力学角度看,环己烷的热稳定性高于环己烯,因此在生产过程中,苯加氢会更有利于环己烷的生成。而催化剂的性能是提升环己烯选择性的关键。2009~2013年,刘寿长团队又先后开发了更具亲水性与稳定性的第二代非负载型Ru-Zn催化剂和低温高活性的第三代催化剂,从使用效果看,一代比一代好。

现在郑州大学化学学院年轻的科研团队仍在研发新一代催化剂。刘寿长这一辈科研工作者所实现的是“卡脖子”技术的突破,而新一辈的科研工作者则更加注重化学原料的安全性,致力于生产出更加安全、环保的催化剂,打破少数国家在市场上的垄断。

科学研究是科研工作者的战场,也是不同国家之间相互争夺的阵地。苯部分加氢制环己烯所需的原材料虽然丰富,但并不是无限量。可能在某一天,新的挑战会再次摆在化学学院新的领军人物和科研团队面前。对此,刘寿长说:“踏踏实实地做是做出成绩的唯一路径。”

(冯 嘉)

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