程黨國：綠色催化的追夢人

隨著全球性環(huán)境污染問題的日益加劇和能源、資源的急劇減少，發(fā)展綠色化學(xué)化工越來越受到各國政府的重視，已成為21世紀的主題之一。

專家簡介：

程黨國，副教授，浙江大學(xué)求是青年學(xué)者，博士生導(dǎo)師。1979年11月生于陜西省，于2001年7月、2006年3月在天津大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)分別獲得學(xué)士、博士學(xué)位。2006年4月進入浙江大學(xué)化工系聯(lián)合化學(xué)反應(yīng)工程研究所工作，2009年12月晉升副教授。2014年8月受國家留學(xué)基金委員會資助，前往美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校（UIUC）進行為期一年的訪問交流，專業(yè)特長為催化及催化反應(yīng)工程。

先后主持國家自然科學(xué)基金項目3項、國家自然科學(xué)基金重大項目子課題1項，參與國家“863”計劃重點項目1項，在研項目主要集中在新型催化材料（分子篩）的設(shè)計與制備、催化反應(yīng)機理研究等方面。相關(guān)研究成果已在Small， Journal of Materials Chemistry A， Chemical Engineering Science， Applied Catalysis A， Industrial Engineering Chemistry Research等國內(nèi)外核心期刊發(fā)表SCI收錄論文40余篇，獲國家授權(quán)發(fā)明專利6件。

藍天、綠地、碧水，清潔、安寧、宜人的環(huán)境，是全人類共同的渴望，也是人類可持續(xù)發(fā)展的基本要求。化學(xué)為人類文明和社會進步做出了巨大的貢獻，并且還將繼續(xù)發(fā)揮其不可替代的作用。然而，許多傳統(tǒng)的化學(xué)化工過程目前還存在嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。

近年來，以從源頭上消除污染和安全隱患、節(jié)省資源為核心的綠色化學(xué)引起國內(nèi)外專家的普遍關(guān)注。在解決經(jīng)濟、資源、環(huán)境三者矛盾的過程中，綠色化學(xué)將發(fā)揮重要的作用。據(jù)統(tǒng)計，絕大多數(shù)化學(xué)品的生產(chǎn)過程都有催化劑的參與， 因此綠色催化反應(yīng)是綠色化學(xué)的重要內(nèi)容。

浙江大學(xué)求是青年學(xué)者、博士生導(dǎo)師程黨國就是一位專注于綠色催化領(lǐng)域的科研工作者。近年來他主要致力于催化及催化反應(yīng)工程等領(lǐng)域，針對分子篩催化過程開展了一系列的工作。他帶領(lǐng)的創(chuàng)新團隊在科研上引導(dǎo)前沿，在產(chǎn)業(yè)化上立足國家重大需求，取得了一系列具有國際領(lǐng)先水平的重要研究成果，為我國科技創(chuàng)新體制建設(shè)做出了重要貢獻。

基礎(chǔ)研究 創(chuàng)新為本

上世紀50年代中期，美國聯(lián)碳公司首先生產(chǎn)出X-型和Y-型分子篩，它們是具有均一孔徑的硅鋁酸鹽結(jié)晶體，其孔徑為分子尺寸數(shù)量級，可以篩分分子。

自分子篩出現(xiàn)后，1964年聯(lián)合石油公司與埃索標準油公司推出負載金屬的分子篩裂化催化劑。利用分子篩的擇形性，繼20世紀60年代在煉油工業(yè)中取得的成就，70年代以后在化學(xué)工業(yè)中開發(fā)了許多以分子篩為基礎(chǔ)的重要催化過程。

“分子篩，是具有規(guī)整孔道結(jié)構(gòu)且能將不同大小分子分離或選擇性反應(yīng)的固體吸附劑或催化劑，是一種結(jié)晶型的硅鋁酸鹽，有天然和合成兩種。其結(jié)構(gòu)因SiO2與Al2O3等比例的不同，有不同的型號。分子篩在化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)及其他部門有廣泛的應(yīng)用，如氣體和液體的干燥、脫水、凈化、分離、回收及催化裂化等石油加工過程。”程黨國形象地告訴記者，“分子篩催化劑，又稱沸石分子篩催化劑，指以分子篩為催化活性組分或主要活性組分之一的催化劑。它具有離子交換性能、規(guī)整的孔道、酸催化活性，并有良好的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性，可制成對許多反應(yīng)有高活性、高選擇性的催化劑。廣泛應(yīng)用在催化裂化、裂解、催化重整等石油化工反應(yīng)當中。”

在研究中，程黨國發(fā)現(xiàn)分子篩催化過程的復(fù)雜程度遠遠超過他的預(yù)期和想象，他和課題組成員付出了超過預(yù)料的努力。

“具體來講就是，在催化過程中，研究者一般希望將反應(yīng)的活性位分散于分子篩孔道中，這樣分子篩孔道尺寸會影響活性位大小，從而影響反應(yīng)活性；另一方面，分子篩孔道也會影響反應(yīng)物與產(chǎn)物在其內(nèi)的擴散，即在分子篩孔道中存在反應(yīng)與傳遞的協(xié)同作用的現(xiàn)象，通過對此研究可以為催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。我的工作主要針對兩個典型反應(yīng)體系開展工作?！背厅h國對研究的指向做了簡單的闡述。

“第一個反應(yīng)是甲烷等小分子轉(zhuǎn)化過程，在這個反應(yīng)中分子篩孔道主要影響活性位結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機理。我們通過不同的制備方法，調(diào)控活性位的種類和空間分布，不但加深反應(yīng)機理的認識，同時提出了催化劑孔道中存在活性位空間位阻的學(xué)術(shù)觀點，得到研究者的認同?！背厅h國對自己的科研充滿了激情?！斑x擇的第二個反應(yīng)體系是大分子催化裂解為小分子的過程，如輕油裂解。為了提高大分子反應(yīng)物在分子篩孔道的擴散行為，提出了合成多級孔分子篩，即在分子篩微孔的基礎(chǔ)上引人介孔，從而實現(xiàn)的分子篩性能的提高。將多級孔分子篩體系應(yīng)用于催化裂解中，催化劑的活性和選擇性得到很大提高。在這個研究過程中，同時又發(fā)現(xiàn)了一種一步法制備整體型多級孔分子篩的新方法，這個方法區(qū)別于傳統(tǒng)的分子篩合成工藝，具有環(huán)保、高效等特點，已在材料類權(quán)威的國際學(xué)術(shù)期刊作為封面論文報道?！?/p>

為了追求科學(xué)真理，他認真鉆研、奮發(fā)向上、甘當幕后、樂于奉獻，有著實事求是的科研作風(fēng)、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，從不追名逐利，從不弄虛作假，以一個平凡的科研工作者姿態(tài)投身分子篩催化的科學(xué)研究領(lǐng)域。

立足國需 領(lǐng)航發(fā)展

隨著石油資源的日漸衰竭，低碳烷烴作為石油的替代和補充用作化工原料已成為必然，以它們?yōu)樵现苯愚D(zhuǎn)化合成其他化工產(chǎn)品無論從技術(shù)還是商業(yè)方面都有巨大的吸引力，是當前化工技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點。

從2011年立項開始，三年的歷程，國家自然科學(xué)基金項目“分子篩孔道限域下低碳烷烴氧化反應(yīng)與傳遞協(xié)同作用機理研究”凝聚了程黨國及其科研團隊無盡的心血和汗水。

項目以甲烷等低碳烷烴的直接氧化為研究對象，采用包括XAFS、原位反應(yīng)技術(shù)及分子模擬等各種表征和研究手段，對鐵磷酸鋁分子篩上低碳烴轉(zhuǎn)化反應(yīng)與傳遞協(xié)同作用機理進行了系統(tǒng)的實驗和理論研究。通過認識分子篩孔道結(jié)構(gòu)對活性位形態(tài)和產(chǎn)物脫附的影響機制、氧化反應(yīng)過程反應(yīng)中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律等，深入地探析了分子篩孔道微環(huán)境對甲烷催化氧化反應(yīng)過程的影響，闡明反應(yīng)與傳遞協(xié)同作用的機理，以此來進一步指導(dǎo)分子篩的優(yōu)化設(shè)計。

項目的實施不但能為實現(xiàn)低碳烷烴直接轉(zhuǎn)化提供新的催化技術(shù)和理論方法，同時也為化工過程強化提供一種新的研究思路。

成果的背后是對清寂的堅守和對科學(xué)的執(zhí)著，這份執(zhí)著使他視科學(xué)研究為自己生命的一部分。對科研的熱忱是程黨國不斷奮勇向前的源源動力，對信念的堅持是程黨國堅守科研陣地的精神支柱。帶著這份激情與執(zhí)著，他在科研的路上走得更好更遠。

2014年啟動的國家自然科學(xué)基金項目“面向連串反應(yīng)的核殼型催化劑的構(gòu)建及其作用機理研究”，以費托（F-T）合成反應(yīng)為例，針對其重質(zhì)烴收率高往往需要再次裂解的問題，在前期工作的基礎(chǔ)上，提出了制備新型核殼型F-T合成催化劑，利用殼層分子篩膜的擇形及酸催化的特點裂解重質(zhì)烴，以提高液體燃料的收率。

程黨國團隊通過認識憎水性固體顆粒表面分子篩生長及成膜機理，實現(xiàn)分子篩膜在活性炭表面的均勻、連續(xù)制備。在此基礎(chǔ)上，研究分子篩膜結(jié)構(gòu)對F-T合成過程傳質(zhì)及產(chǎn)物分布的影響，深入分析核殼型催化劑上反應(yīng)及傳遞協(xié)同作用機理，認識催化劑結(jié)構(gòu)與產(chǎn)物分布之間的構(gòu)效關(guān)系，建立反應(yīng)的動力學(xué)模型，為催化劑的優(yōu)化構(gòu)建提供指導(dǎo)。項目的實施可為F-T合成的工業(yè)化提供進一步的技術(shù)支撐。

學(xué)高為師，身正為范。如今，年紀輕輕的程黨國已是浙江大學(xué)的博士生導(dǎo)師。他尊重每一個學(xué)生的能力、鼓勵學(xué)生的積極性，他一直秉承這種人盡其才的管理模式，既嚴格訓(xùn)練學(xué)生的科研能力，又鼓勵獨立思考，充分發(fā)揮每個人的創(chuàng)造力，為科學(xué)研究的未來培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。