作為化工領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)，催化劑技術(shù)被稱作現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的“芯片”。自1923年費(fèi)托合成技術(shù)(間接液化煤制油技術(shù))發(fā)明以來(lái)，全球化工業(yè)界有個(gè)固有的看法，100%純度的純相碳化鐵不可能作為催化劑穩(wěn)定存在。然而，2024年10月16日，由國(guó)家能源集團(tuán)低碳院高級(jí)工程師王鵬《基于純相χ-Fe5C2催化劑的高碳效率合成氣直接制線性α-烯烴技術(shù)》的新型催化技術(shù)研究成果在《自然》期刊發(fā)表，讓這個(gè)持續(xù)百年的偏見(jiàn)被徹底推翻。
“純相碳化鐵催化劑體系”新理論，填補(bǔ)了國(guó)際技術(shù)空白，對(duì)我國(guó)突破技術(shù)瓶頸，自主掌握高端化學(xué)品產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)具有重要戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義，將引領(lǐng)我國(guó)線性α-烯烴產(chǎn)業(yè)鏈的高端化躍升，進(jìn)一步彰顯并提升了集團(tuán)公司在相關(guān)領(lǐng)域的科技影響力。
一位名不見(jiàn)經(jīng)傳的青年科研人員，為何能突破化工業(yè)界持續(xù)百年的桎梏，以一項(xiàng)里程碑式的科技創(chuàng)新開(kāi)啟線性α-烯烴工業(yè)化新紀(jì)元?答案在低碳院實(shí)驗(yàn)室里無(wú)數(shù)個(gè)深夜亮起的長(zhǎng)燈里，答案在王鵬那執(zhí)著而堅(jiān)定的眼神中，答案在那十余年堅(jiān)持不懈的耕耘和探索中，那傾灑在創(chuàng)新路上的每一滴心血和汗水，都是對(duì)這個(gè)問(wèn)題最為精準(zhǔn)的詮釋!
勇扛重?fù)?dān) 不懼挑戰(zhàn)
2005年，北大化學(xué)系畢業(yè)的王鵬，開(kāi)始在集團(tuán)從事煤間接液化催化劑研究。這個(gè)身材高瘦、性格樸實(shí)的小伙子，很快以扎實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度獲得單位和同事們的認(rèn)可。2014年，王鵬作為核心研發(fā)人員研發(fā)的國(guó)產(chǎn)第一代費(fèi)托合成催化劑投入使用，為寧夏煤業(yè)400萬(wàn)噸/年煤炭間接液化示范項(xiàng)目成功投產(chǎn)作出了重要貢獻(xiàn)。在催化劑研發(fā)過(guò)程中，王鵬深刻感受到科技研發(fā)和自主創(chuàng)新對(duì)國(guó)家和企業(yè)的重要意義。他暗下決心，一定要在高端煤化工技術(shù)研發(fā)中作出一番事業(yè)，推動(dòng)我國(guó)煤炭清潔高效利用和綠色低碳轉(zhuǎn)型。
催化劑被譽(yù)為化學(xué)工業(yè)的“芯片”，化學(xué)工業(yè)的發(fā)展很大程度依賴催化劑的發(fā)展。在王鵬看來(lái)，催化劑就是開(kāi)啟高端化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路的“金鑰匙”，唯有實(shí)現(xiàn)催化劑研究的重大突破，才能從根本上提高集團(tuán)煤制油、煤化工產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平。自2015年伊始，王鵬作為低碳院煤間接液化技術(shù)研究中心青年科學(xué)家、團(tuán)隊(duì)技術(shù)帶頭人，以降低碳排放、提高穩(wěn)定性和反應(yīng)效率為方向，毅然開(kāi)啟了國(guó)產(chǎn)第二代費(fèi)托合成催化劑的研發(fā)。
低碳院聯(lián)合寧夏煤業(yè)研發(fā)的鐵基費(fèi)托合成催化劑
煤基合成氣轉(zhuǎn)化，主要采用價(jià)格低廉的鐵基催化劑，但存在二氧化碳選擇性高、碳利用效率低、活性低的問(wèn)題。在第二代費(fèi)托合成催化劑研發(fā)之初，王鵬的思路并沒(méi)有被傳統(tǒng)觀念所束縛，而是對(duì)鐵基催化劑催化活性產(chǎn)生的本質(zhì)——活性相與活性位問(wèn)題進(jìn)行深入思考。他在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合多種先進(jìn)原位表征技術(shù)，對(duì)鐵基催化劑的活性相和活性位問(wèn)題進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鐵基催化劑CO2選擇性高、碳利用效率低等問(wèn)題的本質(zhì)并非源自鐵基催化劑自身，而是催化劑還原碳化過(guò)程中生成了其他物相導(dǎo)致了副反應(yīng)的發(fā)生。基于此點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，王鵬開(kāi)創(chuàng)性地提出了以純相碳化鐵為催化劑活性相的原創(chuàng)思路，這樣既能夠利用鐵基催化劑價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，又巧妙避開(kāi)了副反應(yīng)的困擾。
從科學(xué)原理到實(shí)踐應(yīng)用，難以避免地要經(jīng)歷反復(fù)漫長(zhǎng)的探索過(guò)程，也必然會(huì)面臨難以想象的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。對(duì)于純相碳化鐵，人類并沒(méi)有原理性地掌握，也無(wú)法科學(xué)描述其具體反應(yīng)性能，如何讓它從想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?王鵬選擇了最困難也是最有效的“笨辦法”，他從構(gòu)成鐵基催化劑的23種物相中歸納出128個(gè)最有代表性的配方，再經(jīng)過(guò)大量的試錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)逐一排除干擾相。
課題研發(fā)初期人員嚴(yán)重不足，王鵬主動(dòng)將科研任務(wù)挑于一身。他身兼多職，從最初的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想到樣品制備，再到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與驗(yàn)證都親力親為。每次實(shí)驗(yàn)要持續(xù)12個(gè)小時(shí)，經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)里忙到半夜，第二天一早又要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析。從2015年5月到2017年5月，經(jīng)歷了兩年艱苦、漫長(zhǎng)且枯燥的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，他從128個(gè)催化劑配方中篩選出二氧化碳選擇性低的5個(gè)配方，將二氧化碳產(chǎn)生降低至15%。但在進(jìn)一步的歸納優(yōu)化中，王鵬發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步降低已很難實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目無(wú)可避免地進(jìn)入瓶頸期。尤為令人沮喪的是，在當(dāng)時(shí)荷蘭一權(quán)威研究組發(fā)表的一篇理論文章中，預(yù)測(cè)ε-碳化鐵穩(wěn)定溫度為250攝氏度以下，遠(yuǎn)低于催化劑實(shí)際應(yīng)用溫度260-280攝氏度，這令團(tuán)隊(duì)人員陷入了困惑和彷徨，難道兩年來(lái)的努力會(huì)是一場(chǎng)無(wú)用功?
不懈探索 開(kāi)放合作
關(guān)鍵時(shí)刻，作為研發(fā)帶頭人的王鵬沒(méi)有動(dòng)搖。他查閱分析了過(guò)往幾十年的大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在以往進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和研究中，都認(rèn)為ε-碳化鐵含量越高，二氧化碳產(chǎn)生越低，這證明團(tuán)隊(duì)的研究方向沒(méi)有問(wèn)題，只要以“功成不必在我”的心態(tài)堅(jiān)持探索，就一定會(huì)有收獲的一天。
2017年6月，就在王鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員苦苦探索之際，和團(tuán)隊(duì)保持長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作的荷蘭高校教授發(fā)來(lái)郵件，告訴他一個(gè)好消息。在通過(guò)原位穆斯堡爾譜對(duì)王鵬送來(lái)的樣本進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種前所未見(jiàn)的特殊穆斯堡爾譜譜線，這極有可能是產(chǎn)生了疑似純相碳化鐵的新物相，這讓王鵬和團(tuán)隊(duì)成員大為振奮。在隨后的實(shí)驗(yàn)和論證中，王鵬發(fā)現(xiàn)之前那篇國(guó)外文獻(xiàn)在路線和判斷上沒(méi)有大錯(cuò)誤，只是因?yàn)槔碚撏茖?dǎo)過(guò)程中溫度偏差了50度，ε-碳化鐵完全可在費(fèi)托裝置中作為催化劑實(shí)際應(yīng)用，王鵬親手開(kāi)辟的道路沒(méi)有錯(cuò)!
2018年6月，王鵬在位于法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步輻射光源中心開(kāi)展純相碳化鐵原位同步輻射測(cè)試實(shí)驗(yàn)。為了獲取純相碳化鐵的配位結(jié)構(gòu)演變信息，王鵬與國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)連續(xù)熬夜倒班10個(gè)晝夜，在實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵階段，王鵬持續(xù)堅(jiān)守崗位，得到了寶貴的純相碳化鐵配位信息，為最終實(shí)現(xiàn)純相碳化鐵合成鋪平了道路。2018年10月，這項(xiàng)研究成果在《科學(xué)》子刊上發(fā)表，課題的研究自此步入快車道。
歐洲同步輻射中心的純相碳化鐵原位同步輻射測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置
純相碳化鐵催化劑高度活潑，無(wú)法在空氣中穩(wěn)定存在，因此對(duì)其進(jìn)行表征研究需要使用各種高級(jí)原位表征儀器，低碳院缺少原位穆斯堡爾譜、環(huán)境電鏡等必需的原位儀器，導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。
面對(duì)這一困難，王鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)積極“走出去”，先后與北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京科技大學(xué)、荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)建立了合作關(guān)系。在與北京科技大學(xué)聯(lián)合測(cè)試樣品時(shí)，王鵬和團(tuán)隊(duì)成員們仿佛釘在了科研現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室里一待就是15個(gè)小時(shí)，做完實(shí)驗(yàn)后又迅速返回低碳院整理分析數(shù)據(jù)，以最快速度獲得真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種繁忙艱苦的研究，王鵬堅(jiān)持了近一年，在一個(gè)個(gè)寂靜幽暗的深夜，他身著工裝、佩戴黨員徽章，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備前埋首苦干，完全不顧本就單薄的身體日漸消瘦。
功夫不負(fù)有心人，2019年6月，王鵬和團(tuán)隊(duì)與北京科技大學(xué)合作使用環(huán)境電鏡，在世界上首次原位捕捉到“純相χ-碳化鐵”的生成全過(guò)程。經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次嘗試與挫折，付出了數(shù)不盡的心血和汗水，一項(xiàng)重大科研創(chuàng)新，在國(guó)能人的孕育下已含苞待放。
實(shí)踐應(yīng)用 深度創(chuàng)新
線性α-烯烴(linear α-olefins，簡(jiǎn)稱LAO)作為是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的核心原料和重要中間體，全球消費(fèi)量逐年遞增，具有廣闊的市場(chǎng)，需求巨大。受制于傳統(tǒng)的乙烯齊聚合成技術(shù)，我國(guó)的線性α-烯烴需要依賴大量進(jìn)口，嚴(yán)重限制了我國(guó)高端化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。王鵬和團(tuán)隊(duì)提出的純相碳化鐵費(fèi)托合成催化新理論，不僅推動(dòng)了煤間接液化產(chǎn)業(yè)的低碳綠色發(fā)展，更是開(kāi)辟了煤炭—合成氣—線性α-烯烴新路徑，實(shí)現(xiàn)線性α-烯烴成套技術(shù)的落地示范和商業(yè)化推廣，不僅生產(chǎn)成本低于以石油為原料的乙烯齊聚合成技術(shù)，而且產(chǎn)品更加多樣性，有力地推動(dòng)我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展。
王鵬查看試驗(yàn)裝置運(yùn)行情況
“當(dāng)前，集團(tuán)黨組深入推進(jìn)‘1331’科技創(chuàng)新戰(zhàn)略，為我們科研人員搭建了干事創(chuàng)業(yè)的廣闊舞臺(tái)。我們要珍惜平臺(tái)、感恩奮進(jìn)，大力弘揚(yáng)新時(shí)代科學(xué)家精神，以‘十年磨一劍’的韌勁和‘一輩子辦成一件事’的執(zhí)著，持續(xù)深耕合成氣轉(zhuǎn)化直接制線性α-烯烴技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用之路，為集團(tuán)公司建設(shè)科技領(lǐng)軍企業(yè)不懈奮斗”，談起十年來(lái)的探索實(shí)踐，王鵬深有感觸地說(shuō)到。成功提出純相碳化鐵費(fèi)托合成催化新理論后，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)接集團(tuán)煤化工產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，全力開(kāi)展科研攻關(guān)，推動(dòng)技術(shù)更新迭代和落地示范，為線性α-烯烴的大規(guī)模工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)鋪平了道路。截至目前，團(tuán)隊(duì)基于“純相碳化鐵催化劑體系”，共申請(qǐng)發(fā)明專利101件，其中國(guó)際專利34項(xiàng);出版英文專著2部，其中獨(dú)著1部;發(fā)表SCI收錄文章30余篇，取得了累累碩果。
2022年，由低碳院牽頭，聯(lián)合國(guó)家能源集團(tuán)包頭煤化工、寧夏煤業(yè)，北京大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程所等10家研發(fā)單位，成功申請(qǐng)了“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“低CO2選擇性合成氣直接轉(zhuǎn)化制長(zhǎng)鏈α-烯烴成套技術(shù)”。該研發(fā)項(xiàng)目以低碳院原創(chuàng)“純相碳化鐵催化劑體系”為核心，采用高效漿態(tài)床反應(yīng)器，與線性α-烯烴的高效分離與產(chǎn)物綜合利用技術(shù)相結(jié)合，形成合成氣直接制線性α-烯烴成套技術(shù)，計(jì)劃于2026年底在包頭煤化工完成萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)示范，2027年在集團(tuán)乃至全國(guó)煤化工行業(yè)推廣應(yīng)用，徹底改變我國(guó)在線性α-烯烴生產(chǎn)中受制于人的不利局面，支撐煤炭清潔高效利用，促進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
王鵬所在的煤間接液化技術(shù)研究中心榮獲集團(tuán)內(nèi)外部多項(xiàng)榮譽(yù)
從提出設(shè)想到規(guī)劃路線，從實(shí)驗(yàn)論證到實(shí)踐應(yīng)用，王鵬以“十年磨一劍”的堅(jiān)韌和執(zhí)著，一步一個(gè)腳印，讓夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，將一項(xiàng)源頭創(chuàng)新的科研成果轉(zhuǎn)化為引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力。成功的秘訣是什么?科研工作者要有怎樣的態(tài)度和精神?若是問(wèn)起王鵬這個(gè)問(wèn)題，他是如此解答的，“開(kāi)展科研工作要遵循低碳院“五問(wèn)”，那就是服務(wù)的國(guó)家戰(zhàn)略是什么，聚焦的核心技術(shù)是什么，對(duì)標(biāo)的一流目標(biāo)是什么，推廣的應(yīng)用場(chǎng)景是什么，培育的新興產(chǎn)業(yè)是什么。既要尊重科學(xué)規(guī)律，也要敢于創(chuàng)新;要充分發(fā)揚(yáng)求實(shí)精神，緊跟國(guó)家重大戰(zhàn)略、瞄準(zhǔn)市場(chǎng)需要開(kāi)展科技創(chuàng)新”。談起這些年走過(guò)的艱辛歷程，王鵬更是深有感觸，“成功不可能一蹴而就的，需要在長(zhǎng)期的積累探索中實(shí)現(xiàn)突破。我們要有甘做奠基人、甘當(dāng)探路者的覺(jué)悟，功成不必在我。”(蘆明生、岳媛)
評(píng)論