憂天下之憂 為未來耕耘
——記四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授印永祥

□ 張藝璇

參加四川大學(xué)120周年校慶

專家簡(jiǎn)介：印永祥，四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院二級(jí)教授、博士生導(dǎo)師，歐洲科學(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目評(píng)審特聘專家。早年從事受控核聚變等離子體理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，后致力于綠色化工、等離子體化工等方向的研究，成功開發(fā)出應(yīng)用于化工過程的熱等離子發(fā)生器和反應(yīng)器，并推廣至國(guó)內(nèi)科研院所和企業(yè)應(yīng)用。先后在Progress of Energy and Combustion Science、Journal of CO2 Utilization、《催化學(xué)報(bào)》等國(guó)內(nèi)外專業(yè)頂級(jí)期刊發(fā)表論文70余篇，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。

自19世紀(jì)的產(chǎn)業(yè)革命以來，化石燃料備受各國(guó)工業(yè)生產(chǎn)青睞，開采及消費(fèi)量一路飆高。時(shí)至今日，煤炭、石油、天然氣等化石能源的消耗量仍高居不下。化石能源的大量采用帶來了人類社會(huì)的巨大進(jìn)步，同時(shí)由此帶來的能源危機(jī)和氣候生態(tài)變化也悄然而至。

借助自然的饋贈(zèng)，太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生，然而這些能源總是以電能的形式獲取并服務(wù)于人類社會(huì)?！半娔懿荒芴峁┗瘜W(xué)工業(yè)所需原料，不足以驅(qū)動(dòng)、支撐整個(gè)社會(huì)的發(fā)展，人們的日常生活還需要具有化石能源特色的資源?！?在指出化石資源對(duì)社會(huì)發(fā)展的必要性的同時(shí)，印永祥還強(qiáng)調(diào)“化石燃料的大量使用，已經(jīng)引起了大氣中二氧化碳濃度遠(yuǎn)超出生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)”。此情此景，究竟該如何化解能源危機(jī)，拯救地球生態(tài)環(huán)境于水火之中？印永祥選擇了利用熱等離子技術(shù)這種獨(dú)特方法轉(zhuǎn)化二氧化碳，將可再生物理能源轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，走上“類化石”物質(zhì)的研究之路。

碳中性的能源結(jié)構(gòu)

能源是保障生物生存及人類社會(huì)前進(jìn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。人類對(duì)于能源的使用發(fā)展歷史，印永祥表示可大致分為3個(gè)階段?！安菽灸茉?，化石能源和可再生能源”。在人類文明時(shí)代開啟以前，地球生物皆是被動(dòng)享用太陽能源?；鸱N的發(fā)現(xiàn)使人類進(jìn)入初級(jí)文明，開啟了主動(dòng)使用木頭、野草燃燒取暖、做功的時(shí)代。隨著社會(huì)和人類的不斷進(jìn)步，工業(yè)革命把化石能源引領(lǐng)到歷史舞臺(tái)，蒸汽機(jī)轟響與社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展并駕齊驅(qū)。當(dāng)面對(duì)化石能源危機(jī)和二氧化碳導(dǎo)致的氣候生態(tài)變化時(shí)，人們又轉(zhuǎn)而尋求水能、風(fēng)能、太陽能等可再生清潔能源。

可再生能源雖然在清潔性、長(zhǎng)久性方面更勝一籌，但也存在著不可忽視的問題?！翱稍偕茉粗荒芴峁┠芰?，不能提供化學(xué)工業(yè)原料，難以大規(guī)模儲(chǔ)存，而且其生產(chǎn)具有極強(qiáng)的時(shí)間和空間局限性?！庇∮老榻忉尩溃袄缣柲?、風(fēng)能分布對(duì)地域和季節(jié)有著極強(qiáng)的依賴性，只能以電的形式獲取，需要大規(guī)模儲(chǔ)存與輸送到終端用戶。即便未來社會(huì)可以實(shí)現(xiàn)完全靠電能驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)今基于使用化石能源的生產(chǎn)方式和社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施也將遭受巨大的變革，由此帶來的變革成本則是無法估計(jì)的?！?/p>

化石能源是依靠自然的力量、經(jīng)過漫長(zhǎng)的時(shí)間積淀而形成。在陽光的作用下，空氣中的二氧化碳和水最終轉(zhuǎn)化為石油、天然氣等能源物質(zhì)?；趯?duì)化石能源構(gòu)成、來源的認(rèn)識(shí)，科學(xué)研究人員提出了以人工介入的方式，以電能為代價(jià)，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為類石化能源產(chǎn)品?！皩㈦娔苻D(zhuǎn)化為化學(xué)物質(zhì)為未來社會(huì)提供方便運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用的原燃料，是未來社會(huì)必須面對(duì)的問題，也是提前布局、應(yīng)對(duì)石油、天然氣日益枯竭的戰(zhàn)略問題?！闭鞘艿皆撍悸返膯l(fā)，印永祥決定投身到一場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化的戰(zhàn)役當(dāng)中。

針對(duì)化石能源危機(jī)及大氣中二氧化碳濃度不斷升高現(xiàn)狀，印永祥選擇了在近期內(nèi)以二氧化碳、煤炭、天然氣和水為原料；遠(yuǎn)期以二氧化碳和水為原料制備碳烴物質(zhì)的研究方向，以期實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排和“類化石”燃料人工合成。“從科學(xué)原理上講，從空氣中捕集二氧化碳，用電能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳，通過電解水制氫氣，進(jìn)而以一氧化碳和氫氣為原料可以合成現(xiàn)今人們習(xí)以為常的各種化學(xué)品和燃料。”印永祥表示，加以可再生能源電能或物理能源驅(qū)動(dòng)，過程將呈現(xiàn)二氧化碳和水→碳烴燃料→碳烴燃料燃燒后重新生成二氧化碳和水的循環(huán)，真正意義上實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，形成碳中性的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。

力促轉(zhuǎn)化難題的解決

在英國(guó)牛津大學(xué)國(guó)際會(huì)議上作報(bào)告

運(yùn)用獨(dú)特方法的碳循環(huán)能夠真正達(dá)到零碳增加，從理論層面和應(yīng)用價(jià)值而言，不僅能夠一勞永逸地解決化石能源逐漸枯竭帶來的液體燃料匱缺問題，而且可以永久性地提供人類發(fā)展必須的有機(jī)化工原料。然而長(zhǎng)久以來，電解水制備氫氣的工藝雖已基本成熟，但如何將二氧化碳高效轉(zhuǎn)化為一氧化碳的難題仍橫亙?cè)诳蒲腥藛T面前。

“當(dāng)前，國(guó)際上轉(zhuǎn)化二氧化碳的研究主要集中在兩點(diǎn)：工程上可行與經(jīng)濟(jì)上可行。如果技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)化但卻不足以推廣放大，不能滿足成千上萬噸的生產(chǎn)，它也就喪失了價(jià)值。同樣，工程上可以實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)濟(jì)代價(jià)過于龐大也是不可取的?！痹谟∮老榭磥恚こ袒徒?jīng)濟(jì)可行性主要體現(xiàn)在二氧化碳的轉(zhuǎn)化率、轉(zhuǎn)化過程中的電能消耗等層面。通俗地講，眼下亟待解決的是如何低成本、高效率地實(shí)現(xiàn)二氧化碳轉(zhuǎn)化一氧化碳。

經(jīng)過充分的文獻(xiàn)調(diào)研，印永祥了解到，二氧化碳在溫度高于3000開爾文的情況下通過熱裂解可實(shí)現(xiàn)高于70%的理論轉(zhuǎn)化率，而熱等離子體技術(shù)完全可以滿足該高溫要求。剩下的問題便在于裂解氣流出等離子體發(fā)生器時(shí)，該如何避免逆反應(yīng)的發(fā)生，以獲得高效的實(shí)際轉(zhuǎn)化率。通過動(dòng)力學(xué)模擬，印永祥及其團(tuán)隊(duì)獲得了一大批理論數(shù)據(jù)，并由此開展了熱等離子體裂解二氧化碳的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)研究。

要想達(dá)到二氧化碳的高轉(zhuǎn)化率，以及制備過程中高度的能量效率，關(guān)鍵之處在于快速急冷裂解氣或快速消耗裂解氣中的自由氧。為此，印永祥率團(tuán)隊(duì)成員利用超音速氣動(dòng)物理急冷、焦炭化學(xué)急冷等技術(shù)，分別與熱等離子體聯(lián)用開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！拔覀兎謩e設(shè)計(jì)了以拉法爾噴管進(jìn)行物理急冷、焦炭為化學(xué)急冷劑作用于熱等離子體二氧化碳裂解氣的實(shí)驗(yàn)。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了二氧化碳轉(zhuǎn)化率提升至95%，過程能量效率提高到81%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！庇∮老樽院赖卣f道。

在談到相關(guān)技術(shù)原理時(shí)，印永祥指出：“采用電弧放電的熱等離子體很容易將二氧化碳裂解為一氧化碳、氧原子和氧氣，其中的氧原子和氧氣與碳發(fā)生部分氧化會(huì)生成新的一氧化碳。部分氧化產(chǎn)生的熱量又被用來促進(jìn)剩余的二氧化碳與焦炭反應(yīng)，繼續(xù)生成一氧化碳，這樣就大大提高了過程中的一氧化碳收率和電能效率?！?/p>

與畢業(yè)生在一起

從數(shù)據(jù)對(duì)比而論，印永祥課題組獲得的二氧化碳轉(zhuǎn)化率及能量效率，較之國(guó)際同類研究有著鮮明的優(yōu)勢(shì)。“可以清楚地看到，我們研究中的二氧化碳轉(zhuǎn)化率幾乎達(dá)到100%。以轉(zhuǎn)化的二氧化碳計(jì)，一氧化碳的收率則為200%，過程能量效率也達(dá)到81%，這是遠(yuǎn)優(yōu)于目前世界同類研究所得結(jié)果的?！庇脭?shù)字說話，印永祥對(duì)熱等離子體高效轉(zhuǎn)化二氧化碳表現(xiàn)出十足的信心。一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲國(guó)際同行贊譽(yù)，相關(guān)技術(shù)也被認(rèn)為在能源領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

始終如一地聚焦能源問題

對(duì)于能源技術(shù)的探索似乎貫穿了印永祥的科研生涯，而等離子體研究自然是其中的重頭戲。1928年，美國(guó)科學(xué)家歐文·朗繆爾和湯克斯首次將“等離子體”引入物理學(xué)。作為一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，等離子體常被視為物質(zhì)的第四態(tài)，廣泛存在于宇宙之中。它是物質(zhì)的高能態(tài)形式，因此成為了材料、能源、信息、化工等科學(xué)研究創(chuàng)新發(fā)展的新方向。

在能源研究的范疇內(nèi)，受控核聚變之于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展有著非比尋常的意義。出生于1955年，經(jīng)過了“文化大革命”，印永祥從上山下鄉(xiāng)的浪潮中走了出來。“1977年，國(guó)家做出了恢復(fù)高考的決定。由于我在下鄉(xiāng)期間及工人階段一直堅(jiān)持學(xué)習(xí)，閱讀了許多數(shù)理化書籍和哲學(xué)著作，所以以初中畢業(yè)的身份順利地考上了四川師范學(xué)院（現(xiàn)今四川師范大學(xué)）物理系。”印永祥回憶道。他表示，自己最初本是抱著日后教書育人的信念開展學(xué)習(xí)，然而時(shí)至1982年，受國(guó)家“兩彈一星”的影響，考取了當(dāng)時(shí)國(guó)家最大的受控核聚變基地——核工業(yè)西南物理研究院，正式與核聚變與等離子體物理專業(yè)結(jié)緣。

“那時(shí)候，感覺核研究是一件崇高、神秘的事情。而我的專業(yè)就是圍繞氫彈的反應(yīng)原理——?dú)潆磻?yīng)展開，希望通過受控核反應(yīng)使能量的放出緩慢進(jìn)行，使得反應(yīng)不再具備危險(xiǎn)性。”在那段時(shí)間里，印永祥積極投入到核聚變、裂變混合堆的最新物理研究中，參研和主持的項(xiàng)目分別獲得原核工業(yè)部科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)。

20世紀(jì)90年代，國(guó)際形勢(shì)發(fā)生重大變化，包括美國(guó)在內(nèi)的世界多國(guó)削減受控核聚變研究經(jīng)費(fèi)。我國(guó)正處于改革開放初期，經(jīng)濟(jì)建設(shè)被視為國(guó)家發(fā)展的首要任務(wù)。為適應(yīng)國(guó)家規(guī)劃布局，印永祥從受控核聚變等離子體理論研究轉(zhuǎn)型，向更側(cè)重于工業(yè)應(yīng)用的等離子體化工、綠色化工等方面靠攏?！拔覀冄芯抗ぷ鞯淖畲筇厣谟谟玫入x子體為反應(yīng)體系提供活化能?！比肼毸拇ù髮W(xué)，從事等離子體化工研究多年，印永祥率課題組先后于Progress of Energy and Combustion Science、Journal of CO2 Utilization、International Journal of Hydrogen Energy、Catalysis Today、IEEETransactions on Plasma Science等國(guó)內(nèi)外刊物上發(fā)表SCI論文70余篇。

尤為值得一提的是，在大力促進(jìn)等離子體與能源的交叉學(xué)科研究的同時(shí)，印永祥還長(zhǎng)期兼顧與環(huán)境領(lǐng)域相關(guān)的光伏太陽能發(fā)電研究?！肮夥柲馨l(fā)電需要多晶硅材料，而制備多晶硅是一個(gè)高污染的化學(xué)過程，最終形成的高聚氯化物問題長(zhǎng)期沒有得到解決。”經(jīng)過幾年的不懈努力，印永祥所在課題組成功開發(fā)了綜合利用多晶硅生產(chǎn)過程的高聚物技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，為我國(guó)全面達(dá)成多晶硅制造綠色化、安全化生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

從受控核聚變研究到等離子體化工、綠色化工，在印永祥看來，科學(xué)研究均具有一種普遍的規(guī)律，即需要廣博堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，敏銳的洞察能力和鍥而不舍的堅(jiān)持。“研究本身實(shí)際上就是在探尋不同的未知。作為一個(gè)職業(yè)科技工作者，總會(huì)遇到困難并想辦法克服?！闭且?yàn)槊鞔_、積極的心理認(rèn)知，印永祥并未感覺到工作帶來的沉重壓力，反而十分享受挑戰(zhàn)的過程。他表示，堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)是科學(xué)工作者的素質(zhì)，敏銳的洞察力使其思想永葆活力，鍥而不舍的精神是成功的保證。

在接下來的規(guī)劃中，印永祥仍會(huì)以等離子體高效轉(zhuǎn)化二氧化碳技術(shù)研究為重點(diǎn)，會(huì)進(jìn)一步統(tǒng)籌其全壽命周期降低成本，盡快開發(fā)相關(guān)工程化應(yīng)用裝置。作為一名傳道解惑者，他對(duì)青年人的培養(yǎng)寄予殷切希望，表示會(huì)將自身經(jīng)驗(yàn)毫無保留地傳遞給青年學(xué)者和學(xué)生。與此同時(shí)，他也期望看到年輕的科技工作者可以多元化地開闊視野，靜下心來苦練“內(nèi)功”和鍥而不舍地堅(jiān)持自我。“既然選擇將科學(xué)研究作為一項(xiàng)職業(yè)，從業(yè)者就必須要對(duì)時(shí)間有敬畏之心，在科學(xué)的道路上不斷攀登，即使未能到達(dá)光輝的頂點(diǎn)，也勢(shì)必為后來的攀登者留下腳印?！?/p>