青春年华奉献祖国科技
青春年华奉献祖国科技
作者:李灿    栏目:光辉的历程

      我1983年到中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)读研究生,先后师从吕永安老师攻读硕士学位和郭夑贤老师攻读博士学位,其间获联合国教科文组织奖学金,并在日本东京工业大学(导师为大西孝治教授)完成博士论文研究,1988年回国,1989年毕业留所工作。1993年我赴美国西北大学进行博士后研究,历三年,又返所,工作至今,凡三十六年。1999年纪念研究所50周年之际,曾撰文《情系大连化物所》,转眼间二十年过去,在此采撷最近二十余年在研究所工作点滴,作为建所七十周年纪念。

  攻坚克难,研制紫外拉曼光谱技术

  1996年8月,我携全家辞别美国西北大学回到大连化物所,一转眼二十三年过去了。在西北大学心无旁骛、埋首研究的三年时光,对我后来研究风格的形成影响很大。

  回国后,我回所开展的第一个研究课题是启动我国紫外拉曼光谱催化表征研究。那个年代尚没有对回国年轻人的特殊资助,虽然回国当年我获得了国家自然科学基金委员会杰出青年基金资助,但远不足以购买研发工作必要的仪器部件。原中国科学院基础局局长钱文藻得知这个情况后,表示基础局特批资助100万元,并建议研究所也匹配100万元。时任所长杨柏龄非常重视这项工作,要求从国家重点实验室的设备更新费中拨出专款予以资助,经过一番努力,经费勉强有了着落。

  刚回国时我没有研究生,组里辛勤老师,所里林励吾、李文钊、杨亚书诸位老师让我协助指导学生,此外,我还协助所外的闵恩泽先生、李大东先生指导学生,这使我的研究工作很快开展起来。经过两年多的苦战,我们逐一攻破了紫外拉曼光谱技术研制中的难题,终于在1998年底成功获得积碳分子筛催化剂的紫外拉曼光谱,标志着我国第一台紫外拉曼光谱仪研制成功。由于具有创新性且对催化材料表征有重要意义,相关工作受到了国内外好评,C&EN News将其评述为继STM、SFG之后研究表面催化的三项重大进展之一,并获得了中国科学院发明奖和国家科技发明奖二等奖。

  后来,紫外拉曼光谱研究从催化研究拓展到材料表征等更广泛领域,国际上大部分光谱表征实验室配备了紫外和中紫外拉曼光谱仪。近年来,紫外拉曼光谱技术又成功应用于我国深海探测,在紫外拉曼光谱技术研发基础上,我们又先后成功研制了国际上第一台深紫外拉曼光谱仪和第一台短波长手性拉曼光谱仪。

  汽柴油脱硫,助力蓝天保卫战

  2000年之前,在进行紫外拉曼光谱催化研究的同时,我们又布设了两个重要的研究方向:多相手性催化合成和燃料油超深度脱硫。

  我们试图通过固相手性催化剂的创新走出一条不同于均相不对称合成的路子。这个工作首先从Sharpless手性环氧化催化的多相化开始,后来与研究员杨启华合作,先后确认了微纳米空间中手性催化反应的限阈效应,发现了活性中心耦合加速效应以及酶催化的稳定化效应等,在国内外均相—多相手性催化学术界产生较大影响,研究成果获辽宁省自然科学奖一等奖。这方面的研究形成了催化基础国家重点实验室的一个重要学术方向,至今仍在进行之中。

  上世纪90年代,我在欧洲、美国访问时就了解到西方国家十分重视汽柴油的清洁化问题。当时,我预见到随着我国家用汽车数量迅速增加,大气污染问题将会愈加严重。于是在1997年,我开始进行超深度脱硫的基础研究,发展了乳液催化脱硫,将柴油中几百ppm硫含量降低到0.1ppm以下,这是截至目前报道的最好结果,与中石化抚顺石化院合作进行放大试验取得了与实验室小试结果相近的结果,可将柴油中含硫化合物完全脱除,远优于国内外清洁油品硫含量标准要求。一时间,乳液催化受到学术界和工业界高度关注。

  经过十多年的努力,油品超深度脱硫的应用基础研究成果形成了汽油和柴油脱硫两项工业化技术,并得到推广应用。例如,汽油催化反应吸附脱硫技术,可将FCC加氢汽油中的硫含量从100ppm左右降低到低于10ppm水平,达到国五标准。该技术在陕西延长万吨级工业化示范后,在山东等地的企业中推广,为助力蓝天保卫战作出了贡献。

  砥砺前行,直面太阳能光催化分解水难题

  世纪之交的2000年,国际气候组织呼吁全世界关注地球家园的生态问题。这隐隐唤起我作为科技工作者的良心和责任:不仅仅满足于自己的科学兴趣,更要关注当下的生态环境问题,思考更久远的未来人类生存问题。

  1999~2000年,我先后利用在英国利物浦大学做短期访问教授和在日本做JSPS Professor项目的机会,带着这些思考对欧洲和日本进行了学术考察,之后做出了科研生涯中一个最大的决定:将正在进行的传统催化研究的重心转向以太阳能为代表的可再生能源的研究,启动太阳能光催化分解水制氢和二氧化碳还原研究。

  尽管国内外许多科学家曾做过大量探索性研究,但对于光催化分解水的关键科学问题并不十分清楚。研究初期,我们把主要精力集中在甄别决定光催化系统的最关键因素上,经过三四年的探索,基本上搞清楚了光催化体系性能的三个瓶颈:捕光、光生电荷分离和表面催化,且后二项互为卷积关系。随后,我们分别在高效捕光材料、光生电荷分离机制和高效助催化剂三大方面部署了研究课题。为了在这几个方面形成合力,我建议在洁净能源国家实验室(筹)成立太阳能研究组群,鼓励年轻学者集中攻克这些关键科学问题。2008年左右,我们相继在宽光谱捕光材料、电荷分离机制和双助催化剂方面取得进展,国际光催化领域开始关注我们的研究。

  在光催化基础研究方面,我们在十余年的探索中先后取得这个领域的多项标志性成果:合成了含氮含硫复合物半导体捕光材料,捕光范围拓展到600nm;提出双助催化剂策略,光催化质子还原制氢反应量子效率达到93%;发展了异相法电荷分离理论,发现了晶面间电荷分离效应,首先研发了光催化剂表面光生电荷成像表征技术,直接观察到光催化剂表面光生电荷的分布。这些基础研究的进展引起国际学术界重视,并为推动国际太阳能研究发挥了一定作用。

  在光催化、光电催化分解水制氢取得重要进展的基础上,受自然光合作用光反应和暗反应耦合机理启发,我们采用可再生能源分解水制氢,继而二氧化碳加氢制甲醇的太阳能燃料合成路线,研制出高活性、高稳定性的廉价电解水制氢催化剂和二氧化碳加氢高选择性制甲醇固溶体催化剂,并完成了实验室小试和中试,目前正在进行工业放大试验,为太阳能燃料规模化合成探路。

  感恩时代,为祖国科研倾心奉献

  自1983年到大连化物所学习、工作,不知不觉已经过了36年。在大连化物所,我度过了人生最好的青春年华,感慨万千。恢复高考改变了我的一生,让我一个西北偏远农村的农家孩子有了学习深造的机会;感恩大连化物所导师们的悉心培养,使我走上科学研究之路;感恩改革开放,使我在科学研究中能够发挥作用,有幸参与了中国科学的快速发展;感谢与我共同奋斗的同事们,特别怀念我的两位英年早逝的助手——任通博士和蒋宗轩研究员,还要特别感谢我的历届研究生和博士后,与他们共同的努力,使我的科研道路充满信心和希望。

  祝愿研究所的明天更加辉煌,为国家乃至人类社会的永续发展作出更大贡献!

  作者简介:

  李灿,1960年1月生于甘肃省金昌市,中国科学院院士、发展中国家科学院院士、欧洲人文和自然科学院外籍院士。现任中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部部长。

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