李孔齋：做能源發(fā)展的“催化劑”

本刊記者 汲曉奇

21世紀(jì)什么最熱？現(xiàn)今時代發(fā)展什么最火？是智能科技、人體醫(yī)療、還是環(huán)境治理？說實話，這很難有一個準(zhǔn)確的答案。

每一個時間節(jié)點，總有一個領(lǐng)域被推上風(fēng)口浪尖，往復(fù)更替，新興產(chǎn)業(yè)迭起，接下來的未知沒有人可以精確地給出預(yù)測。但有一個領(lǐng)域，它長期占據(jù)世界熱點話題的地位，并且隨著時間發(fā)展，它的熱度仍居高不下，成為長遠(yuǎn)型、持續(xù)性的關(guān)注焦點。它便是與人類生活息息相關(guān)，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不容忽視的能源資源問題。

“隨著石油資源的日益枯竭和環(huán)境污染的不斷加重，開發(fā)潔凈廉價的石油替代資源已成為各國競相研究的熱點?！崩ッ骼砉ご髮W(xué)冶金與能源工程學(xué)院教授李孔齋，很早就預(yù)見性地投入到能源材料的研發(fā)工作之中，他對于利用轉(zhuǎn)化技術(shù)獲取高品質(zhì)能源有著自己的認(rèn)識，“甲烷是天然氣、煤層氣和可燃冰的主要成分，還可以通過生物質(zhì)反應(yīng)收集，是一種不可多得的能源材料。將它轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)且易于運輸?shù)囊簯B(tài)化學(xué)制品，不僅具有替代石油的潛力而且還可以為‘無碳或低碳能量鏈’的發(fā)展提供技術(shù)儲備。”李孔齋這個名字與甲烷的轉(zhuǎn)化、催化技術(shù)研究，逐漸產(chǎn)生了密不可分的聯(lián)系。

踩實前行路

2005年，李孔齋在鄭州大學(xué)讀完本科，告別了材料科學(xué)與工程專業(yè)，將陣地轉(zhuǎn)移到昆明理工大學(xué)，成為一名工學(xué)碩士生。3年時間很快度過，李孔齋在科研這片土地上耕耘，開始小有收獲。他的碩士論文被評為“云南省優(yōu)秀碩士論文”，而他參與的“熔融鹽循環(huán)熱載體無煙燃燒技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”項目榮獲云南省自然科學(xué)獎二等獎。

在他參與下的國家自然科學(xué)基金項目——“熔融鹽中催化氧化天然氣制取氫氣的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”的成果展示書中，利用金屬氧化物的氧化還原能力，以晶格氧為氧源的循環(huán)制氣體系被詳盡地剖析。尤為值得一提的是，該項目結(jié)題的時候，他們還成功獲取了性能可靠的氧載體和系統(tǒng)運行系數(shù)。

到了2011年，李孔齋在昆明理工大學(xué)又走過3個春秋。同年7月，他由日方資助在日本名古屋工業(yè)大學(xué)展開博士論文課題研究。在結(jié)束了這一研究后，他回到了昆明理工大學(xué)冶金與工程學(xué)院任職，選擇將傳承的責(zé)任扛上肩頭。

2013年，李孔齋被破格晉升為教授。隨時間推移的，還有他從未放下的研究工作。在這些年里，不論是甲烷的催化材料構(gòu)建，還是多功能催化材料的行為研究都被他納入了項目研究的范疇。埋首之際，與項目推進(jìn)同步而來的是一個又一個的可喜回報：“鈰鐵復(fù)合氧化物制備與甲烷選擇性氧化制合成氣催化性能研究”等論文相繼在各大刊物上發(fā)表；蓄熱型化學(xué)鏈燃燒技術(shù)用復(fù)合氧載體及其制備方法等國家發(fā)明專利上烙印下他的名字；基于甲烷裂解和積碳選擇性氧化的兩步法制備合成氣新技術(shù)也在各項發(fā)現(xiàn)的簇?fù)碇?，揭開了神秘的面紗……

攻堅技術(shù) 發(fā)展要塞

2017年9月22日，中國科學(xué)院海洋研究所發(fā)布一則消息：新一代遠(yuǎn)洋綜合科考船“科學(xué)”號在我國南海海域首次發(fā)現(xiàn)裸露在海底的天然氣水合物，即可燃冰。這一振奮人心的消息不脛而走，引發(fā)討論熱潮。

近幾年我國提出了立足國內(nèi)資源，提高能源利用效率，加大新能源與可再生能源開發(fā)力度，以保障經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求的倡議要求。作為可燃冰主要構(gòu)成成分的甲烷，在時代格局下，被可持續(xù)發(fā)展趨勢賦予了極高的期望。它的利用率勢必關(guān)乎整體的能源發(fā)展效率，而它在轉(zhuǎn)化、使用過程中所需的催化技術(shù)，也將對改善資源品質(zhì)、提高能源利用水平等方方面面有著不容忽視的作用?；蛘哒f，催化的支撐技術(shù)承擔(dān)了實現(xiàn)節(jié)能減排、資源循環(huán)利用，引領(lǐng)未來能源走向的關(guān)鍵任務(wù)。

那么，如何展開甲烷的催化工程？在其中，又有哪些不為大眾所知的技術(shù)難題等待揭秘？李孔齋結(jié)合他在2011年主持的國家自然基金項目做了詳細(xì)的介紹：“目前，甲烷的轉(zhuǎn)化方式主要有兩大類，即直接轉(zhuǎn)化和間接轉(zhuǎn)化。直接轉(zhuǎn)化主要是將甲烷一步合成為高碳鏈烴或含氧化合物，需要嚴(yán)苛的條件且轉(zhuǎn)化率低。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，以甲烷部分取代石油作為化學(xué)工業(yè)原料和燃料，最有效途徑是通過制取合成氣再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的間接方法。而在這一過程中，也存在諸多問題亟需解決。”

間接方法轉(zhuǎn)化中，甲烷制合成氣的“造氣”工序成本高達(dá)全程成本的50%，嚴(yán)重影響了實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的制備初衷。開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)解決轉(zhuǎn)化困境成為科研人員長久以來的研發(fā)重點。經(jīng)過多方考察，整合前人經(jīng)驗，李孔齋將催化部分氧化法作為研究切入點?！按呋糠盅趸煌谒羝卣⒍趸贾卣?，能耗、生產(chǎn)成本及設(shè)備投資都比較大，它的反應(yīng)是溫和的放熱過程，可以在高空速下進(jìn)行，并且反應(yīng)器體積小、效率高，生成的合成氣也可直接作為甲醇、二甲醚等物質(zhì)的原料氣?！?/p>

即便集萬千優(yōu)點于一身，催化部分氧化法還是面臨著各種研究困局。譬如，氧化過程需使用純氧，而制氧裝置的投資與運行費用昂貴；催化劑易燒結(jié)、積碳失活等。為此，李孔齋基于荷蘭、日本等學(xué)者提出的晶格氧部分氧化甲烷工藝，根據(jù)甲烷催化裂解和積碳（被氧氣）氧化可以在低溫度（≤700℃）下進(jìn)行，且在催化劑配合下持續(xù)時間較長的這一特性，提出了一種在中低溫（500℃～700℃）條件下轉(zhuǎn)化甲烷制取合成氣的新思路。該方法將裂解與氧化分步進(jìn)行，比較傳統(tǒng)甲烷裂解工藝，剔除了復(fù)雜的催化劑還原程序。

除此之外，考慮到一般使用二氧化碳和水等弱氧化性物種充當(dāng)氧化劑，不僅效率低，反應(yīng)積碳還不能完全被消除，從而影響裂解催化劑的循環(huán)利用等因素。或者進(jìn)一步說，即便積碳能夠被高效率氧化，其產(chǎn)物也只會是二氧化碳，而并非人們希望得到的一氧化碳。對此，李孔齋講述了他在實驗中的有趣發(fā)現(xiàn)：“如果在鈰鐵和鈰鈷復(fù)合材料上，甲烷裂解的積碳，可以被空氣高選擇性地氧化為一氧化碳。而且，我們經(jīng)過初步研究證實，反應(yīng)溫度對于一氧化碳的生成影響很大?！边@一發(fā)現(xiàn)無疑為創(chuàng)制具有甲烷裂解和積碳選擇性氧化雙功能的催化材料，奠定下堅實的基礎(chǔ)。其成果被國際催化領(lǐng)域的權(quán)威雜志

Journal of Catalysis 和Applied Catalysis B: Environmental、The Journal of Physical Chemistry C等錄用?！斑@是一個很有意義且值得深入研究的現(xiàn)象”，這是雜志審稿人給予的最中肯的評價。與此同時，針對熱量傳導(dǎo)和利用問題廣泛存在于各類反應(yīng)過程當(dāng)中，李孔智提出了將相變蓄熱技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)的新思路，以構(gòu)筑核殼結(jié)構(gòu)蓄熱功能化催化劑來解決固定床反應(yīng)器中存在的氧載體床層溫度不均等問題。該概念的提出和深入研究在能量利用、涉及吸放熱反應(yīng)的化工領(lǐng)域等方面逐漸形成新的關(guān)注點。李孔齋預(yù)測，隨著技術(shù)的不斷成熟，該設(shè)計思路可擴(kuò)大推廣范圍實現(xiàn)太陽能熱分解制氫、化學(xué)鏈重整制氫、甲烷部分氧化等重要化工過程的搭建，為諸如熱源不穩(wěn)定一類難題提供相關(guān)可執(zhí)行辦法。目前，部分成果已在國際材料和能源化工領(lǐng)域的著名雜志Journal of Materials Chemistry A、Applied Energy、Chemical Engineering Journal、Chemical Engineering Science等發(fā)表。

運籌帷幄，方能決勝千里。遠(yuǎn)眺未來藍(lán)圖，李孔齋已經(jīng)做好迎接時代挑戰(zhàn)的準(zhǔn)備?？梢灶A(yù)見的是，他會帶領(lǐng)著團(tuán)隊為能源發(fā)展注入一支強(qiáng)有效的催化劑。