沸石新希望，催化新時(shí)代
——記北京化工大學(xué)軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心副教授張建

謝更好

張建

近半個(gè)世紀(jì)以來，面對化石能源日漸枯竭和全球氣候、環(huán)境變化的現(xiàn)實(shí)壓力，一場新能源革命在全球范圍內(nèi)悄然興起。世界各國尤其是經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)達(dá)且對進(jìn)口能源需求量大的美國、日本、西歐等國家和地區(qū)開始對傳統(tǒng)的高能耗、高污染工業(yè)進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)改革。

作為一種豐富的可再生資源，生物質(zhì)能高效地轉(zhuǎn)化為重要化學(xué)品、能源產(chǎn)品、新材料，使人類減少對化石資源的依賴，是實(shí)現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。然而，盡管生物燃料對環(huán)境的影響小，但其生產(chǎn)過程需要大量能量，經(jīng)過高溫和壓力，才能發(fā)生必要的化學(xué)反應(yīng)。破解之道來自沸石，這是一種超多孔材料，10克沸石的內(nèi)部表面積相當(dāng)于一個(gè)足球場大小，沸石的孔腔結(jié)構(gòu)使其很適合用于催化化學(xué)反應(yīng)，幫助節(jié)省能量。目前，利用沸石催化化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料的研究得到了越來越多人的關(guān)注。

“生物質(zhì)能源發(fā)展?jié)摿薮蟆＝陙?，國?nèi)外很多學(xué)者都在開展相關(guān)研究，并不斷取得重要成果?？梢灶A(yù)見，傳統(tǒng)的化石能源終將被新能源取代，一個(gè)環(huán)境友好型的社會終將建成！”北京化工大學(xué)軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心副教授張建說。

“興趣”“良師”“益友”

從初入象牙塔的懵懂學(xué)生到如今成為一名優(yōu)秀的科研工作者，翻開張建的人生履歷，“興趣”“良師”“益友”是始終繞不開的關(guān)鍵詞。高中時(shí)期，張建就對化學(xué)情有獨(dú)鐘。不論是物質(zhì)與物質(zhì)間的復(fù)雜反應(yīng)，還是那些瓶瓶罐罐的化學(xué)試劑，抑或是密密麻麻的元素周期表，在張建眼里，一切都那么生動有趣。2008年，張建憑借優(yōu)異的成績，順利考上吉林大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)。開學(xué)第一天，老師就告誡他們，要想在化學(xué)的道路上走得更遠(yuǎn)，就需要重視實(shí)驗(yàn)與研究。就這樣，在大一的理論知識學(xué)習(xí)結(jié)束后，張建進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室，并在這里結(jié)識了他人生中最重要的人之一——肖豐收教授。

“肖老師是中國化學(xué)會會士，榮獲過國家杰出青年、湯姆遜（Thomson）科學(xué)研究前沿獎(jiǎng)、高等學(xué)?？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)，在沸石分子篩、多相催化反應(yīng)等研究方面一直頗有建樹?！碧崞鸲鲙?，張建滿懷感激，“當(dāng)時(shí)我才大二，由于實(shí)驗(yàn)知識不足，在科研過程中總是遇到瓶頸。但肖老師并沒有失去耐心，反而手把手地對我進(jìn)行指導(dǎo)，非常細(xì)致地給我講解。他還常常鼓勵(lì)我和師兄王亮多交流學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。”

功夫不負(fù)有心人，在肖豐收教授的帶領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)取得了突破性進(jìn)展，研究結(jié)果以論文形式進(jìn)行了發(fā)表，張建的名字醒目地列在第二作者的位置，研究所取得的成果令他歡欣鼓舞，也更加堅(jiān)定了張建進(jìn)行化學(xué)研究的決心。

2009年，肖豐收教授離開吉林大學(xué)進(jìn)入浙江大學(xué)任教。為了跟隨肖老師的步伐，張建于2012年來到浙江大學(xué)攻讀催化化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。而后，他又在那里完成了博士后研究。在浙江大學(xué)的7年時(shí)光里，張建的科研水平得到了快速提高。在此期間，他開始進(jìn)行屬于自己的課題項(xiàng)目，第一次著手生物質(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的研究，并逐漸確立了將沸石合成與應(yīng)用、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化作為個(gè)人的研究方向。

“一路走來，我覺得自己非常幸運(yùn)。除了肖老師的栽培，我的師兄王亮也給予了我很多幫助。2013年，師兄從吉林大學(xué)獲得理學(xué)博士學(xué)位后，也跟著肖老師來到了浙江大學(xué)進(jìn)行博士后研究，隨后便留校工作。在研究思路方面，師兄帶給我很多啟發(fā)性思考。”張建清楚地記得，王亮師兄曾告訴他，尋找有效的化學(xué)催化劑，如果只是一個(gè)一個(gè)地篩選每種可能的催化劑，這樣用“蠻力”，耗時(shí)非常長，但若是從化學(xué)原理的角度出發(fā)，通過創(chuàng)新來制造出新的化學(xué)催化劑，并將其巧妙地運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)里，就會少走很多彎路……

2019年，在肖教授的介紹下，張建來到了北京化工大學(xué)軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心繼續(xù)開展科研工作。迄今為止，他已在國內(nèi)外的雜志發(fā)表論文50余篇，其中第一作者/共同第一作者16篇，有3篇為《科學(xué)引文索引》（SCI）高被引論文。借助北京化工大學(xué)這個(gè)強(qiáng)有力的平臺，張建創(chuàng)造性地將自己的研究內(nèi)容與北京化工大學(xué)的優(yōu)勢學(xué)科——生物工程結(jié)合起來，采用生物化工的方式，努力讓化學(xué)這門科學(xué)迸發(fā)出更加耀眼的光芒！

巧用沸石催化劑

塑料是人類社會發(fā)展過程中不可或缺的產(chǎn)品，近幾年用量極大的醫(yī)用口罩的生產(chǎn)就高度依賴塑料。但由于塑料難以在自然條件下降解為無害物質(zhì)，廢棄后造成的塑料污染問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了自然和生態(tài)環(huán)境。解決此問題的辦法之一就是開發(fā)可降解的塑料。

張建說：“作為一種典型的可生物降解的聚合物，聚乳酸的基本物性和石化合成的塑料非常相似，而且它的相容性與可降解性良好，是非常有前途的生物降解塑料制品。”為了制備高品質(zhì)的聚乳酸，實(shí)現(xiàn)催化乳酸制L-丙交酯的催化劑及相應(yīng)的乳酸一步制L-丙交酯的高效反應(yīng)是關(guān)鍵。為此，張建主持了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高效催化乳酸雙分子酯化制L-丙交酯的核-殼沸石催化材料”。

在此項(xiàng)目中，張建帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了全硅Beta包裹硅鋁Beta沸石催化材料。全硅殼層可以有效消除外表面酸中心，抑制乳酸過度聚合等副反應(yīng)，同時(shí)提供豐富的孔道供反應(yīng)物和產(chǎn)物分子快速擴(kuò)散，從而大幅度提高L-丙交酯的選擇性。在此基礎(chǔ)上，他們還研究了全硅和硅鋁Beta沸石的組裝機(jī)制，以及酸位點(diǎn)和沸石孔道的協(xié)同作用規(guī)律和對催化活性和選擇性的影響?；谶@一催化材料，項(xiàng)目組成功減少了當(dāng)前先預(yù)聚再聚合兩步法制L-丙交酯的能耗，進(jìn)一步發(fā)展了不需要預(yù)聚的乳酸一步制丙交酯的反應(yīng)過程。

除了解決眼下的污染問題，探索新能源也是張建研究的重點(diǎn)。隨著人類社會的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，大量的燃料被消耗，雖然未來社會的汽柴油車會被電車取代，但是飛機(jī)等飛行器由于需要較高的動力，所使用的航空煤油（簡稱“航煤”）是無可替代的。近年來的研究熱點(diǎn)——生物質(zhì)資源是指通過“光合作用”而形成的各種有機(jī)體，包括所有的動植物和微生物。“光合作用”的主要原料之一就是二氧化碳，而生物質(zhì)轉(zhuǎn)化主要生產(chǎn)兩類產(chǎn)品：燃料和社會發(fā)展需要的化學(xué)品。考慮到航空運(yùn)輸業(yè)在人類社會運(yùn)轉(zhuǎn)中的重要作用，生物質(zhì)資源為綠色高效制備高品質(zhì)航煤提供了一條可行路徑。

“在眾多類型的航煤中，金剛烷基航煤具有高密度、高能量密度、低冰點(diǎn)、低黏度等優(yōu)勢性能，近年來受烯烴工藝及煤炭利用工藝變革影響，產(chǎn)能持續(xù)下降，如何通過生物質(zhì)制備金剛烷基航煤，成了擺在人們面前的難題。”張建科普道，“研究表明，倍半萜是含有3個(gè)異戊二烯單元的天然萜類化合物，可以通過生物發(fā)酵法由葡萄糖高效制備。具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的倍半萜（例如長葉烯）經(jīng)過加氫再異構(gòu)的方式可以制備金剛烷基化合物。為了降低反應(yīng)能耗，獲得更高的產(chǎn)物選擇性，人們提出通過含氫體系一步加氫異構(gòu)制備金剛烷基化合物，由此，催化劑的設(shè)計(jì)制備成為關(guān)鍵?！?/p>

張建發(fā)現(xiàn)，將金屬顆粒包裹到ETS-10沸石中，可以獲得高濃度的空間上毗鄰分布的金屬/氧化鈦界面和固體酸位點(diǎn)，構(gòu)筑出一種高效的金屬/酸雙功能催化材料，從而有效提升環(huán)狀倍半萜加氫異構(gòu)制金剛烷基航煤反應(yīng)中的活性。于是，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高效催化倍半萜加氫異構(gòu)制高品質(zhì)航煤的鈦硅沸石封裝金屬催化材料”的研究。目前，這一項(xiàng)目還在進(jìn)行中，預(yù)計(jì)2026年年底結(jié)束。

“近年來，沸石催化劑已由過去廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)、化學(xué)生產(chǎn)等方面轉(zhuǎn)變?yōu)橹卫泶髿馕廴?、水污染修?fù)等領(lǐng)域，特別是在助力生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮了巨大作用，這對于緩解當(dāng)下緊張的能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)上的雙贏具有重要意義?！睆埥ㄕf，“我國的生物質(zhì)資源非常廣泛，但都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工業(yè)化程度不高，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的自動化和工業(yè)化將是我今后努力的方向。”目標(biāo)在前，使命催征，唯有踔厲奮發(fā)、篤行不怠，張建將一步一個(gè)腳印，在追逐夢想的道路上奮勇前進(jìn)！