植根電化學(xué)應(yīng)用 創(chuàng)新低碳綠色技術(shù)
——記華東理工大學(xué)化工學(xué)院教授張新勝及其團隊

張 聞 孫雅琴

一提起化工行業(yè)，人們普遍對這一領(lǐng)域的印象就是與污染、毒害和危險相伴，不少人談“化”色變，唯恐避之不及。21世紀(jì)以來，在世界能源需求日益突出、環(huán)境保護意識不斷強化、信息技術(shù)變革日新月異的時代大背景下，電化學(xué)技術(shù)逐漸成為炙手可熱的研究領(lǐng)域，并在近些年來進入了發(fā)展的黃金時期。

電化學(xué)技術(shù)是一門綠色的工業(yè)技術(shù)，其工藝本身的特點正是當(dāng)前化學(xué)工業(yè)發(fā)展中頗受重視和關(guān)注的高效、節(jié)能、安全、無公害工藝?，F(xiàn)如今，在我國工業(yè)三廢排放量仍居高位，工業(yè)污染治理投資空間巨大的社會現(xiàn)狀下，加強電化學(xué)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用更是迫在眉睫。華東理工大學(xué)化工學(xué)院教授張新勝所領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊便是我國深耕在這一領(lǐng)域的中堅科研力量。

“科研不是紙上談兵，而是要通過科研院所、應(yīng)用單位共同合作，完成當(dāng)前國家與社會發(fā)展所需要的科研課題。”秉承著這一宗旨，多年來張新勝領(lǐng)導(dǎo)科研團隊面向化工、能源和環(huán)境需求，扎根于電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用中，先后承擔(dān)國家及企業(yè)項目30余項，成為國內(nèi)少有的能夠通過電化學(xué)方法來成功實現(xiàn)高附加值有機化學(xué)品、電子化學(xué)品、工業(yè)廢鹽高值轉(zhuǎn)化的工業(yè)應(yīng)用研究團隊。三十年如一日，他和團隊真正做到了腳踏實地，將科研寫在祖國大地上。

張新勝

以夢為馬——不懈進取的求學(xué)之路

1984年7月，從湖南大學(xué)基本有機化工專業(yè)本科畢業(yè)的張新勝被分配到河南省洛陽化工四廠工作。在企業(yè)一線工作的5年間，他從新產(chǎn)品研發(fā)到新產(chǎn)品裝置的設(shè)計、安裝和試運行，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。勤學(xué)好問的他，在企業(yè)工作期間曾多次前往上海，向華東化工學(xué)院祁國珍教授和復(fù)旦大學(xué)陶鳳崗教授求教，兩位教授給予了他無私的幫助，讓張新勝受益匪淺。但是，隨著深入研究探索，他也逐漸感受到所學(xué)知識不足以解決工作中遇到的技術(shù)問題，因此下定決心要進一步深造。當(dāng)他向工廠申請考研時，工廠卻不同意他外出學(xué)習(xí)。在這種情況下，張新勝仍舊沒有放棄繼續(xù)深造的決心，經(jīng)過兩年多的努力，他的真誠最終打動了領(lǐng)導(dǎo)，并同意了他的報考請求。

功夫不負有心人，張新勝順利于1989年9月和1993年2月進入華東化工學(xué)院精細化工專業(yè)和華東理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)學(xué)習(xí)。

博士階段，張新勝師從袁渭康院士，正式開始了有機電化學(xué)研究。這一階段的學(xué)習(xí)對張新勝來說是一個嚴(yán)峻的考驗，因為之前他既沒有電化學(xué)方面的知識，也缺乏化學(xué)工程方面的知識，而且研究工作還需要用計算機開展模擬計算，沒有用過計算機的他不僅要補學(xué)計算機知識，還要自學(xué)計算機編程語言、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值分析方法等知識。其中所付出的努力與收獲的成長，正如張新勝在博士論文致謝中所說：“在這三年半的學(xué)習(xí)中，我揚短避長，致力于彌補自己的不足之處，不僅擴大了知識面，還開闊了自己的研究視野?！彪m然博士期間的研究工作都是從零開始，但張新勝最終憑借自己刻苦好學(xué)的精神圓滿地完成了研究工作。1997年博士畢業(yè)后，他成功以人才引進方式調(diào)入華東理工大學(xué)開展教研工作。

基于本碩博不同專業(yè)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，又有多年企業(yè)工作經(jīng)驗，張新勝在應(yīng)用技術(shù)開發(fā)方面逐漸變得更加得心應(yīng)手?！笆聦嵣衔覀冏龉I(yè)應(yīng)用開發(fā)與企業(yè)交流十分頻繁，工廠一線的工作經(jīng)歷也讓我更加熟悉產(chǎn)業(yè)一線的情況，知道怎樣與企業(yè)交流——不僅要了解具體項目，還要了解相關(guān)的工藝過程及分析檢測的方法等，這些對我們從事科研應(yīng)用開發(fā)是非常有益的?！彼f。

在多年的研究生涯中，張新勝從未囿于現(xiàn)狀，而是積極推動研究與國際接軌。為了汲取更多前沿的科研技術(shù)與思想，張新勝還分別于2011年和2016年前往美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分?；瘜W(xué)系、美國佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)院進行訪問研究?！爱?dāng)時我們團隊開展電化學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究也已經(jīng)20多年了，但對于光電催化分解水制氫、新型結(jié)構(gòu)燃料電池等新能源領(lǐng)域的相關(guān)前沿研究涉獵還比較少，所以想去國外這一領(lǐng)域更加優(yōu)秀的科研團隊學(xué)習(xí)一下。”張新勝說。在國外的研究旅程中，他在國際著名電化學(xué)專家巴德（Allen J.Bard）教授團隊學(xué)習(xí)到了先進的研究思路及科研理念、科研方法，并將自己學(xué)習(xí)之所得應(yīng)用到之后的團隊管理與科研創(chuàng)新中。

電化學(xué)綠色技術(shù)合成高附加值化學(xué)品

我國化工行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主要集中在低端層次，高附加值化工業(yè)與發(fā)達國家存在較大的差距，不能滿足化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量發(fā)展的需要，這成為制約我國高端制造業(yè)發(fā)展的重要瓶頸。在這一現(xiàn)狀下，張新勝領(lǐng)導(dǎo)團隊在電化學(xué)綠色技術(shù)合成高附加值化學(xué)品中開展了大量工作，并取得了諸多創(chuàng)新性科研成果。

張新勝團隊研發(fā)的草酸電解生產(chǎn)乙醛酸的工業(yè)化技術(shù)，具有產(chǎn)品收率高、質(zhì)量好、成本低、無三廢污染等特點，是乙醛酸生產(chǎn)的未來主要發(fā)展方向。值得一提的是，早在2000年張新勝團隊開發(fā)的乙醛酸工業(yè)單臺電解槽，目前仍是國內(nèi)有機電解槽中單片電極面積最大、工業(yè)單臺裝置運行的各項指標(biāo)均處于國際先進水平的裝置?，F(xiàn)如今，張新勝團隊正在與東華科技共同開發(fā)更大面積的千噸級中試裝置，為實現(xiàn)萬噸級裝置的目標(biāo)而攻關(guān)。

堅持自主創(chuàng)新，張新勝團隊不斷打破國外在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)限制。他們還于2006年首創(chuàng)了三膜四室電解槽，成功實現(xiàn)了電化學(xué)方法制備四丙基氫氧化銨-鈦硅分子篩專用模板劑，這項技術(shù)不僅綠色清潔、產(chǎn)品品質(zhì)高，而且生產(chǎn)成本低，可以完全取代廢水量大的離子交換樹脂法。四丙基氫氧化銨的電解技術(shù)應(yīng)用后，成功解決了制約我國鈦硅分子篩T S-1發(fā)展的關(guān)鍵模板劑品質(zhì)不佳的難題，促進我國鈦硅分子篩快速發(fā)展。這一成果從2009年開始工業(yè)應(yīng)用后，迅速占領(lǐng)國內(nèi)市場，替代相關(guān)產(chǎn)品進口，還遠銷歐美。

目前張新勝團隊又瞄準(zhǔn)40多年來國內(nèi)一直未能突破的兩大工業(yè)難題：丙烯腈電解合成己二腈、硝基苯電還原制備對氨基苯酚。研究團隊已與烏海市恒業(yè)煤化簽訂合同開發(fā)十萬噸丙烯腈電解合成己二腈工業(yè)技術(shù)的合作方案，并全力投身于相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)工作中。

電化學(xué)技術(shù)制備高純微電子化學(xué)品

21世紀(jì)以來，信息產(chǎn)業(yè)已成為世界經(jīng)濟中規(guī)模最大、發(fā)展最為迅速的產(chǎn)業(yè)之一。半導(dǎo)體工業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，影響面廣、后續(xù)產(chǎn)業(yè)鏈長，關(guān)系到國家的經(jīng)濟和安全。一直以來，超凈高純化學(xué)試劑在國際上被稱為“工藝化學(xué)品”，它是電子技術(shù)細微加工制作過程中不可或缺的基礎(chǔ)化工材料之一，其潔凈度和純度對集成電路的電性能、成品率及可靠性有著十分重要的影響。

在電子級化學(xué)品中，四甲基氫氧化銨的需求最大。隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展和半導(dǎo)體裝置的高度集約化，對四甲基氫氧化銨的純度要求也越來越高。在這一背景下，張新勝領(lǐng)導(dǎo)科研團隊從2005年開始了電化學(xué)方法制備電子級化學(xué)品的研究。當(dāng)時他們花費了100多萬元建立了超凈電解裝置、萬級超凈室和百級樣品配制手套箱，購買了離子色譜等設(shè)備儀器用于微電子化學(xué)品的創(chuàng)制研究中。十多年來，他們依據(jù)產(chǎn)品特性成功開發(fā)了陽離子膜電解和陰離子膜電解技術(shù)，創(chuàng)新性發(fā)展了超純微電子級四甲基氫氧化銨的電合成技術(shù)、獨創(chuàng)超純微電子級檸檬酸的制備技術(shù)等。

不忘初心，履踐致遠。近些年來，張新勝團隊基于之前的研究基礎(chǔ)，還在馬不停蹄地開展超凈高純微電子化學(xué)品的電化學(xué)制備技術(shù)的前沿應(yīng)用研究。通過不懈探索，他們在研究中探索了離子交換膜微結(jié)構(gòu)對反離子阻擋規(guī)律、電解液流動狀態(tài)對雜質(zhì)離子脫除凈化的規(guī)律，以及雜質(zhì)被產(chǎn)物絡(luò)合后難以純化的問題。為了我國盡早突破“卡脖子”的芯片技術(shù)，團隊把電化學(xué)方法制備用于下一代芯片的超凈高純微電子化學(xué)品作為今后主要的研究方向，開發(fā)低成本、無污染的超凈電解技術(shù)。用電化學(xué)方法制備電子級磷酸、電子級草酸、電子級硫酸等研究正在有序開展中。

資源化處理工業(yè)廢鹽

工業(yè)廢鹽具有成分復(fù)雜、來源廣泛、毒性大等特點。2016年《國家危險廢物名錄》明確將化學(xué)合成原料藥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的蒸餾及反應(yīng)殘余物、化學(xué)合成原料藥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢母液及反應(yīng)基廢物劃定為危險廢物。基于工業(yè)廢鹽的巨大危害，對它進行高效無害化處理至關(guān)重要。早在2012年，張新勝團隊就開始了含鹽廢水和工業(yè)廢鹽的科學(xué)處理與資源化利用研究，是國內(nèi)開展廢鹽資源化利用最早的研究單位之一。

張新勝介紹，高含鹽廢水是指水中總含鹽質(zhì)量分數(shù)至少為1%的廢水，一般常見于化工廠、燃煤電廠、制藥廠等行業(yè)，這類廢水中含有多種物質(zhì)，產(chǎn)生途徑廣，水量也逐年增加，去除含鹽廢水中的有機污染物對環(huán)境造成的影響至關(guān)重要?！斑\用電解技術(shù)可以有效解決環(huán)境污染問題，例如用電解技術(shù)降解有機污染物、從含鹽廢水中回收無機鹽，并將工業(yè)回收的廢鹽進行綜合利用，轉(zhuǎn)化成無機酸和無機堿來循環(huán)再生利用，也可以用于一些其他方面的清潔生產(chǎn)工藝。這些都是我們正在做的工作。”張新勝說。

鹽的應(yīng)用范圍有限，應(yīng)用價值低，工業(yè)廢鹽分鹽后，不少企業(yè)只能將分鹽產(chǎn)品以噸袋包裝后長年隔離堆放。為了實現(xiàn)廢鹽的科學(xué)處理，他們將低價值或無價值回收固體鹽通過離子膜電解生產(chǎn)出應(yīng)用廣泛的硫酸、鹽酸和燒堿等，實現(xiàn)廢鹽的資源化利用。團隊發(fā)明了新型結(jié)構(gòu)電解槽用于硫酸鈉電解技術(shù)，燒堿質(zhì)量指標(biāo)達到液堿國家標(biāo)準(zhǔn)，硫酸濃度為25%～30%。氯堿工業(yè)對氯化鈉質(zhì)量要求高，使用工業(yè)回收氯化鈉不能滿足氯堿生產(chǎn)要求，而且還可能在電解過程中產(chǎn)生爆炸性極強的三氯化氮，針對這一情況，張新勝團隊還設(shè)計了新型電解槽，電解過程不產(chǎn)生氯氣，直接生產(chǎn)13%鹽酸和30%燒堿。他們還針對工業(yè)產(chǎn)生很多的雜鹽和混鹽等難處理問題，創(chuàng)新性地開發(fā)了氯化鈉/硫酸鈉、硫酸銨/硫酸鈉、氯化鈉/硫酸鈉/硫酸銨等混鹽電解新技術(shù)。這些技術(shù)可以根據(jù)用戶需求，選用對應(yīng)的工藝進行電解，進而解決了企業(yè)廢鹽的處置難題。

張新勝團隊創(chuàng)新的鹽電解轉(zhuǎn)化制酸和堿技術(shù)，轉(zhuǎn)化過程中會同時副產(chǎn)高純的氫氣和氧氣。這一工業(yè)廢鹽的科學(xué)化處理方式副產(chǎn)的綠氫正好契合我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。在“雙碳”政策背景下，氫能作為最具發(fā)展?jié)摿Φ亩吻鍧嵞茉粗?，在保障能源安全、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、促進碳減排等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。近些年來，隨著碳中和、能源轉(zhuǎn)型發(fā)展逐漸成為全球共識，歐美日韓等20多個主要經(jīng)濟體已將發(fā)展氫能提升到國家戰(zhàn)略層面，并相繼制定發(fā)展規(guī)劃、路線及相關(guān)扶持政策，加快氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。張新勝團隊開發(fā)的科學(xué)的、可持續(xù)性的工業(yè)廢鹽的處理方法，不僅解決了企業(yè)中工業(yè)廢鹽處理難題，還將工業(yè)廢鹽實現(xiàn)資源化再利用，而且副產(chǎn)氫能的利用更讓企業(yè)實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益雙豐收，對氫能領(lǐng)域的發(fā)展和實現(xiàn)氫能經(jīng)濟具有重要的科學(xué)價值和實踐意義。

團隊攜手——共筑化工未來

科研之路，道阻且長，行則將至。既要有只爭朝夕的精神，更要有持之以恒的堅守?！皬氖驴茖W(xué)研究就代表著我們基本上沒有什么節(jié)假日，即使是周六日也基本上在準(zhǔn)備和研讀相關(guān)科研資料中度過。”張新勝說。他深知：在科學(xué)研究中，理論研究與應(yīng)用研究都至關(guān)重要。將薄薄幾頁紙變成生產(chǎn)線、化為生產(chǎn)力，科學(xué)家們往往需要付出非常艱辛的努力。

一個成功團隊的發(fā)展史，必然是一群志同道合者的奮斗史。一路走來，張新勝十分感謝自己的導(dǎo)師袁渭康院士，正是在他的引領(lǐng)下，張新勝踏入了電化學(xué)領(lǐng)域研究的那扇門，并一直堅守奮斗至今。同時，他還特別感謝孫世剛院士，團隊的發(fā)展和成果得益于孫院士對他們20多年的持續(xù)幫助與指導(dǎo)。除此之外，他還要感謝與自己一路前行的科研團隊。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)還鮮少有研究團隊從事電化學(xué)應(yīng)用技術(shù)及過程放大研究時，他所在的研究室已經(jīng)在進行相關(guān)領(lǐng)域的探索。轉(zhuǎn)眼三十載已過，他們憑借腳踏實地的努力及堅持不懈的創(chuàng)新，目前已經(jīng)在電化學(xué)開發(fā)等方向的研究中，走出了一條屬于自己的優(yōu)勢創(chuàng)新道路。

科研之火生生不息，薪火相傳。登上教學(xué)崗位如今已二十余載，張新勝已經(jīng)培養(yǎng)了接近100名碩士生及博士生。在學(xué)生培養(yǎng)上，多年來張新勝一直教導(dǎo)自己的學(xué)生：“發(fā)明創(chuàng)新不是憑空而來，而是源于對實驗過程的仔細觀察和對實驗結(jié)果的邏輯分析”，這一過程就需要科研人員有著腳踏實地的態(tài)度及不懈求索的精神。而他也希望自己的學(xué)生能夠一直秉承著“認真工作、真誠待人”的品格，只有養(yǎng)成這樣的學(xué)習(xí)、工作作風(fēng)，才能讓他們在人生道路上擁有更多的機會。

對于科學(xué)研究來說，困難屬于經(jīng)常的，成功才屬于暫時的。在張新勝看來，科研就是干一行、愛一行。只要在好奇心的驅(qū)使下，堅持不懈地去做，就一定能在科研領(lǐng)域中開花結(jié)果。一代人有一代人的“長征”，一代人有一代人的使命。未來，張新勝及其團隊還將在電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用中砥礪前行，為化學(xué)工業(yè)的發(fā)展貢獻源源不斷的科研力量。