“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓(xùn)項目：國六標準下新型高效柴油車尾氣脫硝催化劑案例研究

馬媛媛，陳朝暉，王舒，左春玲，馬鳳延，辛楊，張輝

（齊齊哈爾大學，黑龍江齊齊哈爾 161000）

1 “互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽開展的背景

1.1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育開展的現(xiàn)狀

近年來，隨著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)政策的實施和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)境的不斷改善，大學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情逐漸高漲[1-2]。據(jù)《2021中國大學生創(chuàng)業(yè)報告》調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，有96.10%的大學生都曾有過創(chuàng)業(yè)的想法和意愿，有14.00%的大學生已經(jīng)創(chuàng)業(yè)或正在準備創(chuàng)業(yè)。

目前，社會發(fā)展需要培養(yǎng)和提高大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[3]。在信息化時代，高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育需要突破教材限制，與時俱進地進行內(nèi)容更新，引入最新的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識，從而提高教學實效性和學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力以及人才培養(yǎng)質(zhì)量[4-5]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，產(chǎn)生許多創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模式，主要包括科技孵化創(chuàng)業(yè)、提供服務(wù)體驗非標準性創(chuàng)業(yè)、新概念極致化創(chuàng)業(yè)、產(chǎn)品內(nèi)容融合創(chuàng)業(yè)、高層級式迭代產(chǎn)品創(chuàng)業(yè)共五大模式[6]。目前，大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)還面臨諸多問題，如創(chuàng)業(yè)能力和經(jīng)驗不足、創(chuàng)業(yè)項目科技含金量不高等[7]。這就需要高校充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”的大環(huán)境，以產(chǎn)教融合聯(lián)合培養(yǎng)為途徑，為學生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的平臺和機會[8]。

1.2 “互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓(xùn)項目開展的背景

在環(huán)境領(lǐng)域，氮氧化物（NOx，包括NO和NO2）是引起霧霾、光化學煙霧和酸雨的重要污染物。在我國，柴油車產(chǎn)生了近90%的NOx排放量，成為氮氧化物排放的主要來源之一。2020年，全國機動車氮氧化物（NOx）排放量為626.3萬t，其中柴油車NOx排放量占排放總量的近88%，遠超過汽油車，然而柴油車保有量只占汽車總量的10%[9]。此外，非道路移動源（工程機械、農(nóng)業(yè)機械和船用發(fā)動機等使用柴油發(fā)動機作為動力源）的NOx排放量與汽油車相當。因此，控制柴油機NOx排放已經(jīng)迫在眉睫。

在柴油車尾氣后處理系統(tǒng)中，由于柴油發(fā)動機的稀薄燃燒條件，三元催化劑難以控制NOx排放。為了控制柴油車尾氣排放，氨選擇性催化還原NOx（NH3-SCR）技術(shù)被成功地商業(yè)化應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的V2O5-WO3/TiO2催化劑仍存在一些問題，如五氧化二釩的生物毒性、溫度窗口窄（300～400℃）和高溫下氮氣選擇性低。因此，開發(fā)一種環(huán)境友好、高效、穩(wěn)定的催化劑，用于在惡劣條件下去除NOx，是非常迫切的。而具有混晶形結(jié)構(gòu)的新型CuCe/SAPO-5/34催化劑，由于其優(yōu)異的脫硝性能、高水熱穩(wěn)定性，成為滿足國六排放標準的新型脫硝催化劑。本項目研究了CuCe/SAPO-5/34催化劑的混晶結(jié)構(gòu)對NH3-SCR反應(yīng)性能影響，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關(guān)系。然后，從一步合成方法出發(fā)，通過更加經(jīng)濟、高效的方法，制備出性能可控的催化劑，為CuCe/SAPO-5/34催化劑的規(guī)模化生產(chǎn)提供了可行的技術(shù)路線，并結(jié)合該類產(chǎn)品的市場調(diào)查，對CuCe/SAPO-5/34催化劑的市場前景進行了合理的展望。該項目成果投入使用，會有效解決尾氣污染問題，構(gòu)建綠色可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境。

2 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓(xùn)項目的創(chuàng)新研發(fā)

2.1 柴油車尾氣脫硝催化劑創(chuàng)新研發(fā)過程

將異丙醇鋁溶于適量的水中，加入二乙胺、硅酸四乙酯，再滴加磷酸，獲得均勻的混合物A。將硝酸銅、硝酸鈰和四乙基五胺溶解在水中，添加不同量的纖維素，持續(xù)攪拌蒸干，得到粉末B。將A和B混合在一起，攪拌，超聲，獲得均勻的凝膠。之后依次進行水熱晶化、煅燒，最終獲得CuCe/SAPO-5/34雜化晶體結(jié)構(gòu)的脫硝催化劑。

CuCe/SAPO-5/34催化劑的多級孔結(jié)構(gòu)改善了傳統(tǒng)SAPO-34的傳質(zhì)問題，其獨特的制備工藝提高了活性組分Cu、Ce的擔載量和分散度，在NH3-SCR反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的脫硝催化活性及抗水抗硫性（如圖1所示）。傳統(tǒng)的V2O5-WO3/TiO2催化劑在200～450℃之間的NOx轉(zhuǎn)化率均低于92%，而CuCe/SAPO-5/34催化劑在此溫度區(qū)間的NOx轉(zhuǎn)化率均大于95%，且在200℃時，NOx轉(zhuǎn)化率甚至接近100%。可以看出，在低—中—高溫的條件下，CuCe/SAPO-5/34催化劑的催化性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的V2O5-WO3/TiO2催化劑。

圖1 CuCe/SAPO-34、CuCe/SAPO-5/34和V2O5-WO3/TiO2催化劑的抗水、抗硫性能評價結(jié)果

2.2 產(chǎn)學研跨學科融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊

本項目團隊由化工、環(huán)境、財務(wù)管理、機械設(shè)計制造及其自動化系等專業(yè)學生組成，如圖2所示。團隊分工明確，其中化工、環(huán)境專業(yè)學生主要負責CuCe/SAPO-5/34脫硝催化劑的研發(fā)；財務(wù)管理、市場營銷、計算機科學與技術(shù)專業(yè)的學生主要負責搭建互聯(lián)網(wǎng)平臺，拓展銷售渠道。項目團隊打破了專業(yè)、背景、文化的界限，依托創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目進行跨學科合作，實現(xiàn)高配合度的知識創(chuàng)新。

圖2 “互聯(lián)網(wǎng)+”柴油車尾氣脫硝催化劑創(chuàng)新研發(fā)團隊

縱觀市場前景，目前，在國六標準下，對新型脫硝催化劑的產(chǎn)業(yè)化需求已是迫在眉睫，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊從創(chuàng)新想法的萌發(fā)到創(chuàng)業(yè)計劃書的完成，不同學科交叉融合、相互補充，實現(xiàn)CuCe/SAPO-5/34新型脫硝催化劑的創(chuàng)新研發(fā)。在項目開展過程中，不同學科背景的隊員發(fā)揮各自所長，通過交流與合作，使學科知識、經(jīng)驗專長、思維模式相互耦合，共同推動項目進程。

3 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓(xùn)項目的產(chǎn)業(yè)化構(gòu)思

3.1 產(chǎn)品CuCe/SAPO-5/34脫硝催化劑的產(chǎn)業(yè)化價值

團隊成員根據(jù)市場及文獻調(diào)研認為：CuCe/SAPO-5/34脫硝催化劑的多級孔結(jié)構(gòu)改進了傳統(tǒng)SAPO-34的傳質(zhì)問題，其獨特的制備工藝提高了活性組分Cu、Ce的擔載量和分散度，在NH3-SCR反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的脫硝催化性能及穩(wěn)定性，滿足國六標準下柴油車尾氣脫硝排放要求。因此，CuCe/SAPO-5/34脫硝催化劑具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

通過市場調(diào)研，初步擬定催化劑的價格為每公斤3 500元，計劃在未來兩年內(nèi)實現(xiàn)100家柴油汽車廠尾氣脫硝處理原材料的供應(yīng)。計劃融資100萬元，出讓股權(quán)20%～25%，隨著一代催化劑的擴大生產(chǎn)和二代催化劑的研發(fā)，再進行合理的股權(quán)出讓來獲得融資。資金主要用于產(chǎn)品研發(fā)、工人工資、原材料采購等，扣除成本，未來四年的收入預(yù)測如圖3所示。

圖3 未來四年的收入預(yù)測柱狀圖

3.2 構(gòu)建環(huán)?？萍加邢薰?/h3>

基于CuCe/SAPO-5/34脫硝催化劑的研發(fā)，本項目擬構(gòu)建新綠環(huán)?？萍加邢薰尽Ｔ摴臼且陨a(chǎn)的CuCe/SAPO-5/34脫硝催化劑為核心產(chǎn)品，集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的化工企業(yè)。通過對地理和經(jīng)濟條件的考察，并結(jié)合地方政策，將公司擬建于黑龍江省齊齊哈爾市龍沙區(qū)高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，注冊資金約100萬元。新綠環(huán)保科技有限公司是一家以綠色環(huán)保為理念的催化劑生產(chǎn)公司，擁有先進的CuCe/SAPO-5/34脫硝催化劑生產(chǎn)技術(shù)。相比傳統(tǒng)V2O5-WO3/TiO2催化劑，該公司生產(chǎn)的脫硝催化劑具有安全無毒、活性溫度窗口寬、熱穩(wěn)定性好、抗水抗硫性能優(yōu)異、使用壽命更長、滿足國六排放標準等優(yōu)勢，可以快速融入市場，經(jīng)濟效益非?？捎^。公司以CuCe/SAPO-5/34脫硝催化劑為前期產(chǎn)品，開拓市場，并逐步開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，應(yīng)用于機動車、船舶等以柴油作為燃料的發(fā)動機尾氣脫硝中，進一步擴大市場，形成柴油發(fā)動機脫硝催化劑相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈。

4 通過競賽提升學生學習及實踐能力

4.1 對所學知識綜合運用能力的提升

在傳統(tǒng)的學習過程中，學生通過課程體系將所學的知識進行關(guān)聯(lián)和拓展，很少有機會對專業(yè)知識進行綜合運用，而這種綜合運用所學知識來解決實際問題的能力正是學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成功的關(guān)鍵[10]。在本次比賽中，參賽學生對催化劑的合成等相關(guān)專業(yè)知識進行深入了解，在實驗室中合成并表征脫硝催化劑。在此過程中，學生對催化反應(yīng)動力學、材料合成與表征等相關(guān)知識的認知得到較大程度提高，加深了對項目小試—中試—工業(yè)生產(chǎn)進程的了解。另外，參賽學生還學習了與項目相關(guān)的其他學科的專業(yè)知識，如財務(wù)管理、市場營銷等，從而提高了學生的學習主動性和學習能力，學生的思維方式從理論科研擴展到了社會應(yīng)用、市場價值等，增強了學生在創(chuàng)業(yè)過程中的信心[11]。同時，參賽學生汲取以往參賽獲獎項目和比賽現(xiàn)場其他項目的優(yōu)點并進行創(chuàng)新，從而提高比賽的獲獎概率。

4.2 對學生信息搜集與分析整理能力的培養(yǎng)

在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程中，需要搜集大量信息，并對信息進行分析整理。通過前期的市場調(diào)研，可以確定未來的創(chuàng)業(yè)合作公司和對標公司，還可以找到市場缺口，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打好基礎(chǔ)[12]。在項目開展前，學生調(diào)研了脫硝催化劑的市場狀況，查閱了相關(guān)的文獻綜述、技術(shù)報告等資料。此外，與行業(yè)同類技術(shù)進行技術(shù)性對比分析，收集和分析整理信息的過程類似于撰寫文獻綜述的文獻整理過程。在項目開展過程中，學生需要從分散且復(fù)雜的信息源中提取并整合出有用的信息。這一過程難度較大，需要學生掌握方法，并分析匯總，提高了學生信息搜集與分析整理能力。

4.3 對學生溝通表達能力、團隊協(xié)作能力和實踐科研能力的強化

在項目開展過程中，參賽學生在路演PPT制作和講解、團隊協(xié)作以及實踐科研能力等方面都有明顯的進步。參加競賽對PPT制作及路演匯報的要求更高、更專業(yè)，路演匯報人需要在5min內(nèi)給投資人介紹相關(guān)領(lǐng)域的行業(yè)情況、項目開展的可行性、產(chǎn)品優(yōu)勢、企業(yè)運營等，這對學生來說難度很大。參賽學生在計劃書和PPT的準備環(huán)節(jié)中，根據(jù)個人能力特點及專業(yè)優(yōu)勢分配工作任務(wù)，不斷完善項目計劃書和PPT，表達溝通能力得到提高。同時，團隊成員也建立了深厚的感情，實現(xiàn)了成員之間的能力互補，提高了團隊凝聚力[13]。此外，在此次比賽的項目實驗階段，參賽學生在教師指導(dǎo)下參與脫硝催化劑制備、評價、表征等過程，對傳統(tǒng)的制備方法、生產(chǎn)工藝等進行部分改進或創(chuàng)新，將科研實踐成果轉(zhuǎn)化成商業(yè)產(chǎn)品，極大提高了實踐科研能力和動手能力[14]，為將來的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。