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贺泓:环境催化精微处 玉宇澄清万里天
——记中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员贺泓

作者:□ 胡 敬 刘 佳  来源:科学中国人  发布时间:2018-12-27

导读:  贺泓经常感叹,我们生在了一个伟大的时代,年轻时立下的志愿基本都已实现,而未来还有更高更远的目标去追寻。不久前,有人请他题字,贺泓欣然落笔,也算是写下自己的心声:生逢其时,民族复兴千载梦;学以致用,家国情怀少年心。

  ——记中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员贺泓


  □ 胡 敬  刘 佳

 

 

  
  贺泓于1965年出生在中国千年古城邯郸。他青少年求学的时候,正是中国社会发生变革和转折的时期。尽管“文革”结束、气象更新,百废待兴,但是彼时,科技落后、物质匮乏、信息闭塞依然困扰着中国社会。在贺泓少年的心灵里,可爱的家乡和不尽如人意的生存环境都给他留下了不可磨灭的印象,刚上初中的他就在心底里立志,一定要努力求学,到外面的世界去看一看,增长见识,学习先进,用知识改变家乡的落后面貌。
  贺泓在邯郸一中读初中两年,跳级转邯郸二中读高中两年,1981年以16岁的年纪考上了河北师范大学,1988年考入北京理工大学攻读博士学位,并在90年代初被国家教委选派赴日本留学,1994年在日本东京大学理学部化学系获理学博士学位。他先后在日本、美国、加拿大留学和工作10余年,除了在日本理研公司研究中心做过两年多柴油机尾气催化净化研究工作外,大部分时间都在从事固体表面科学和模型催化等纯基础科学研究。尤其是在加拿大,贺泓跟随诺贝尔化学奖获得者John Polanyi教授研究化学界前沿的吸附状态下的光化学反应动力学课题。当时他已经在国际期刊发表学术表面科学和模型催化论文多篇,又能跟随名师,学术前途可谓一片光明。例如,他1997年发表在Surface Science上研究Ni(100)表面碳化物甲烷化的文章中,发现二维石墨可以在金属表面形成并稳定存在,而在当时还没有石墨烯的概念。但随着改革开放后中国经济的腾飞,国内大气污染日益严重的形势时刻牵动着贺泓的心,环境催化治理大气污染也是他力所能及的专业范围,于是萌生了放弃国外他所钟爱的基础科学研究而回国开展环境催化应用于大气污染控制的念头。1998年贺泓应邀成为中国科学院生态环境研究中心客座研究员,国内的恩师、单位领导和好友期待着贺泓的归来。
  有人力劝,有人惋惜,但是贺泓已经下定了决心,用平生所学报效国家——正是他年少时的志向。他说:“如果国家需要我时,我却明知可为而不为,这才是人生无可弥补的遗憾!”2001年,36岁的他全职回到中国科学院生态环境研究中心工作。经过十几年的团队建设与合作努力,至今已在柴油车排放污染控制、室内空气净化和大气灰霾成因与控制研究和应用等方面取得了显著成果。贺泓经常感叹,我们生在了一个伟大的时代,年轻时立下的志愿基本都已实现,而未来还有更高更远的目标去追寻。不久前,母校请他题字,贺泓欣然落笔,也算是写下自己的心声:生逢其时,民族复兴千载梦;学以致用,家国情怀少年心。
  

打赢“蓝天保卫战”


  贺泓清楚地记得,北京奥运之后大气灰霾的问题越来越引起了社会各方的关注。尤其是之后几年,随着互联网和自媒体渠道的发达,越来越多的国民对于和他们生活质量休戚相关的生态环境表示了极大关切。媒体曾经报道过一位北京市民,用自己的相机每天早上同一时间,以同一地点作为背景,拍照记录北京的天气情况,然后发布到个人微博和微信朋友圈里。天气好的时候,对面的建筑清晰可见,可是到了灰霾天气,楼群就像海市蜃楼一般若隐若现,而要是到了重度污染的级别,甚至在一片灰霾之下,根本就看不到对面的建筑了!这位市民连续拍摄了一年,当他将这300多天的照片合成排列在一起时,很明显地可以看出,北京晴朗蓝天的日子还不及全年的一半。
  这一报道造成的影响震撼人心,让更多的市民拿起了手中的相机和手机纷纷记录下天气和环境的变化,“雾霾”也毫无悬念地登上各大新闻热点的榜首。党和政府早就对大气污染高度关注,从20世纪70年代就采取了种种治理措施,更是在2013年出台了史无前例的《大气污染防治行动计划》。一时间,打赢“蓝天保卫战”成为新世纪摆在我们面前的一项政治任务。
  那段时间里,贺泓对于天气的变化格外地敏感,每当新一轮灰霾悄悄笼罩京城,他的心情就会又一次紧张起来。甚至于说他的心情好坏完全取决于灰霾的来去也不为过,因为他当时的身份是中国科学院2012年启动的“大气灰霾追因与控制专项”研究的首席科学家,带领很大的一个团队研究灰霾成因、预报预警和治理技术,为国家制定有效的污染减排策略提供科学依据和技术支持。
  这是一项“欲与天公试比高”的工作,难度可见一斑。贺泓介绍说,对灰霾的成因分析和预报预警,是一个极其复杂的过程,需要大气化学、大气物理、气候气象等多个学科的交叉合作,这大大增加了灰霾问题研究的复杂性和治理的艰巨性。
  贺泓负责的灰霾专项团队有近300名科学家参与,他们来自中国科学院十几个研究所、清华大学、北京大学等国家顶级科研机构。作为这样一个大团队的牵头人,协调各方千头万绪,压力可想而知。“只有把灰霾形成的原因搞清楚了,我们才能以最小的代价来治理它。”贺泓明白,治理灰霾不仅仅是一项单纯的科学研究,更担负着沉重的社会责任。因为灰霾不仅是大气能见度的感官形象问题,更是关系到人民的身体健康。
  然而灰霾是个狡猾的“敌人”。贺泓说,灰霾频繁发生,其中有气象的外因,但是,我们更加看重的是大气复合污染的内因。在大气复合污染条件下,大气氧化性的增强、气态污染物向颗粒态污染物的转化加快,这才是造成我国灰霾事件频繁出现的根本原因。
  “大气复合污染形成的二次细颗粒物,大大超过了由当地气候、地形等条件决定的环境容量,一旦出现持续的静稳天气,就会出现污染物无法扩散的情况。而这种因为典型的复合污染造成灰霾现象及其治理,并没有直接的国际经验可以借鉴,主要靠我们自己的摸索和研究。”
  正因任务艰巨,更要迎难而上。贺泓常说,治霾没有捷径可走。几乎每次灰霾来临,他和团队成员们都要在各自的岗位上行动起来,准确预报、加强监测、分析成因。这些过程往往是加班加点,废寝忘食的。在团队的共同努力下,他们以大气细粒子(PM2.5)的生成、演化与控制为核心科学问题,以京津冀、长三角和珠三角地区为重点研究区域,通过可控实验、外场观测和数值模拟,基本阐明区域灰霾的形成机制,初步识别了关键污染物和污染源,提出了区别于伦敦烟雾和洛杉矶光化学烟雾的第三类霾化学烟雾的概念模型和理论框架,对我国后续一系列大气污染防控研究的重大科技计划的立项和实施起到了先导作用,为科学可行的灰霾控制技术和解决方案提供了关键科技支撑。近几年来,国民已经感受到大气污染治理力度越来越大,效果越来越好,蓝天白云的日子在逐渐增多,重点区域颗粒物浓度明显下降。
  

抓住机动车治污的“牛鼻子”


  我国现阶段污染物排放总量的基数大,尤其是随着城市汽车保有量的激增,大城市氮氧化物污染逐渐加重,这使得我国大气污染日益呈现出复合污染的态势,即由煤烟型污染与机动车尾气污染及其他污染叠加构成。“在城市大气污染当中,城市机动车污染实际上比工业烟气带来的污染更难以治理。工业烟气问题可以通过产业转型升级和能源结构调整解决,但是由于机动车排放标准升级只是针对新车,城市机动车尾气污染控制注定是一个漫长的过程。”贺泓如是说。要想在比较短的时期内解决重型柴油车的排放问题,通过科技手段加强监管兼改造升级在用车是最现实的手段。
  由于机动车尾气直接排放致霾的PM2.5及前体物,所以贺泓主张大城市应该把机动车尾气污染控制放在优先治理的位置。而在机动车治理的过程中,首先要抓住重型柴油车这个“牛鼻子”。贺泓表示,就运输量和经济性而言,我们不能完全摆脱重型柴油车,运送工农业生产原料和产品很大程度上需要它。其实如果从能源消耗角度来说,和汽油车相比柴油车应该是更加绿色的交通工具。
  事实上,从2001年贺泓甫一回国,他便投入到了柴油车尾气净化技术的研发中。当时恰逢国家“十五”计划开端,环境技术第一次被列入原“863”计划之中。贺泓回国主持的第一个原“863”课题就是“柴油机氮氧化物净化技术”,同时在“百人计划”和国家自然科学基金的资助下开展起氮氧化物催化净化的基础研究。
  “我当时设想是尽快在中国的柴油车上率先实现以碳氢化合物为还原剂的氮氧化物选择性催化还原(HC-SCR)技术。这个技术的最终目标是以车载燃料为氮氧化物的还原剂,实现柴油-SCR的应用,可以大大简化国际上通用的柴油车用尿素-SCR系统,并降低运行成本。”贺泓的最初设想很好,在这种理念指导下,他带领着团队潜心研究了几年,发表了几十篇论文,申请了十几个专利,研究可谓独树一帜。但是,贺泓渐渐发现,在中国现实的国情条件下,很难实现他的理想初衷。首先,我国燃油中含硫量高,客观上限制了HC-SCR的应用。其次,我国汽车工业长期跟随国外技术,很难说服一个企业在柴油车尾气净化后处理这一核心技术上率先尝试为天下先的巨大技术风险。
  身为“海归”的贺泓第一次遭遇了水土不服,但是他没有怨天尤人,而是果断地调整了研究方案。一方面,继续保持在HC-SCR研究上的领先地位,同时迅速开展尿素-SCR应用和前瞻研究,满足我国即将实施柴油车国IV排放标准实施带来的市场需求。这个顺应国情的思路调整带来了丰硕的成果。“863”团队在贺泓的带领下协同攻关,几年时间突破了适用于我国燃油品质的高效SCR催化体系设计与催化转化器生产核心技术,成功研发了国际先进水平的柴油车用钒基NH3-SCR催化剂,在重型柴油车NOX净化规模化应用中呈现出优良活性与稳定性。
  让贺泓最有成就感的是,他们的产学研联合团队打造了具有自主知识产权的国产化“大尺寸催化剂载体—催化剂生产与封装—匹配控制技术与集成”技术产业链,形成了国内最大的重型柴油车SCR后处理系统生产供应体系,国IV、国V产品累计装车超过100万辆,打破了国外公司的垄断,带动了本领域环保产业的发展。
  “十几年,从实验室原理技术的研发到最终的产业化之路太不容易了,经历了许多磨难和痛苦才取得了目前阶段性的成果。如果没有原‘863’计划长期稳定的支持,这一成果的取得难以想象。”一向不言辛苦的贺泓也不禁如此感慨。
  

创新没有定式


  近些年来,灰霾的频频来袭让许多人选择了“宅”在家里和室内。实际上,即使能够做到及时关闭门窗,但室内空气质量仍然面临窗外大气污染和室内空气污染的双重压力。这让各种品牌和款式的空气净化器成为了抢手的产品。
  空气净化器在今天已经普及进入千家万户,但是在10多年前的中国,还是一个鲜为人知的小众产品,而贺泓,也是一个偶然的机会接触到室内空气催化净化技术。
  有数据显示,人们在室内度过的时间高达80%以上,因此室内环境与空气质量直接影响着人民健康和生活水平。但是由于我国大量使用人造板材装修和人均居住面积较小等因素导致甲醛和微生物是室内空气中两类主要的污染物,对人体健康构成危害。
  尤其是2003年那一场突如其来的“非典”,让研发高效、安全、长寿命且无二次污染的室内空气净化和杀菌技术及其产品成为改善人民生活质量的迫切需求。这也使贺泓开始关注起室内空气污染的问题,以催化净化甲醛和催化微生物灭活的科研为契机,组建起室内空气污染控制研究团队,并先后承担了“SARS科技专项课题”、“绿色奥运行动”、国家重点研发计划“室内空气典型污染物催化净化材料研究”等相关课题。
  催化氧化技术可以利用空气中的氧气将甲醛完全分解为无害的H2O和CO2,但即使采用前人发现的最佳的氧化催化剂,其催化氧化甲醛的操作温度也需要80℃,仍远高于室温,因此难以满足室内空气净化所需的常温常压、高效、安全、经济的要求。在此之前,常用的室内空气杀菌方法有:臭氧、等离子体、紫外线、化学药剂杀菌等。然而,这些杀菌方法在有效杀灭有害微生物的同时,对人体或环境都有很大的潜在危害。
  面对着如此困局,贺泓开拓思路,完全基于“创新没有定式”的敢为人先,提出室温非光催化净化室内空气新思路。在甲醛净化方面,设计并研制出高分散负载型Pt基催化剂,确认高度分散的Pt是该催化反应的活性中心,首次实现了室温条件下甲醛的催化氧化,并且发现碱金属助剂作用下可实现Pt在载体上的单原子分散,有利于活化氧气和水在催化剂表面生成活性表面羟基,从而大大提高室温催化氧化甲醛的反应活性,降低了催化剂成本。贺泓的这一系列成果,被国内外同行赞叹为“甲醛吸附和氧化研究方面取得的重大进展”,是“令人惊叹的成果”(比利时安特卫普大学Dewil教授语)。在催化杀菌方面,发明了系列载银无机催化杀菌材料及其制备方法,在室温条件下不借助药剂或外界能量输入就可以快速催化杀灭吸附在其表面的病毒、细菌、真菌等微生物,具有广谱、高效、对人体无害的优势。
  基于上述发明成果,为了迅速实现产业化,早日服务于国民生活,贺泓同北京亚都、日本三菱电机等国内外相关企业合作,建成了甲醛净化和催化杀菌材料生产线,开发了多款应用上述专利技术的新型室内空气净化器和空调产品,迅速推向了市场,取得了良好的经济和社会效益。此外,贺泓还带领团队针对其他室内空气污染物如挥发性有机物、臭氧和氨气开展催化净化研究工作,有些成果还在空调、车用净化器和防护产品上实现了产业化应用。特别是他们的臭氧催化分解专利技术在海尔开发的离子风空调中发挥了至关重要的作用,在分解电离空气产生的臭氧的同时,净化了空气中的甲醛和挥发性有机物;这项技术应波音公司的委托进行了低温、超高空速的再开发,有望应用于波音飞机客舱空气质量改善。这些研究工作很好地引领了行业的发展,推动了室内空气净化领域的技术进步。
  

解铃还须系铃人


  催化,是一种加快化学反应速度的作用,其应用几乎遍及化学化工的整个领域。贺泓常说,人类实际掌握了催化技术之后,改造自然的能力大大增强,就使得我们的活动超过了环境所能承受的负荷。他举了一个非常简单的例子,自从人类掌握了催化合成氨技术并用于化肥生产,自然界才出现了广泛的水体富营养化。实际上,当今世界的大气污染也主要是由于人类掌握了以催化为基础的石油化工和煤化工技术后大量利用化石能源所造成的。贺泓团队所研究的环境催化,就是要利用催化的手段来解决和化学相关的诸多环境污染问题,贺泓用简洁明了的一句话总结就是——解铃还须系铃人。
  自从回国之后,贺泓一直非常重视对于“解铃人”的培养,团队建设和人才培育一刻都不曾放松。在现阶段,贺泓更是把人才培养看作是学科长远发展的一个重要工作。学科未来的发展要靠年轻一代,要有一批杰出的学科带头人,这样才能作为今后开展原创性的工作、深度研究的保障。在他看来,只有教不好的老师,没有学不好的学生。贺泓深谙孔夫子“有教无类”“因材施教”的理念,对待不同的学生采取不同的教学方式。“有的学生你要让他多读书,勤思考,别钻进实验室里就出不来,不及时总结反思是不行的;而有的学生则恰恰相反,你要经常往实验室和工程现场赶他,提醒他环境催化不是为了学问而学问,必须是解决实际问题的学问,不能把书读死了。”
  贺泓根据学生的条件和禀赋,力争对每一个学生实施个性化的指导,使得他的团队日益强大,学生们的成材率极高。2001年归国以来,已培养博士、硕士研究生共42名,其中7人分别获得中国科学院院长特别奖和优秀奖,4人获中国科学院优秀博士论文,2人获得基金委优秀青年科学基金,1人获第15届国际催化大会“青年科学家奖”。2013年贺泓领衔创建中国科学院生态环境研究中心大气污染控制中心;2014年组建“大气污染物的源汇过程与污染源控制技术创新团队”,入选科技部创新人才推进计划;2015年作为首席科学家筹建“中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心”,并于2017年正式建成运行至今,成为我国打赢蓝天保卫战的一支重要力量。
  近几年来,贺泓变得更加忙碌。他经常作为专家参与到科技部、中国科学院和国家自然科学基金委等部门的科技规划或项目评审中,光是作为京津冀协同发展专家咨询委员会委员,4年来参加的相关会议和调研就将近100次,期间几乎不能正常出国参加本专业学术会议,对此他毫无怨言。2017年贺泓当选第十三届全国人大代表,并在第一次大会上提出关于尽快实施“清洁柴油机行动计划”的建议,目前已经获得生态环境部回复采纳。他带领团队也积极落实自己提出的建议,投身在用柴油车排放控制与在线监管技术升级的总理基金攻关项目,研发的技术已经在京津冀数个城市落地示范应用。从新车扩展到在用车,研究内容和复杂性成倍增加,但研究成果更能及时见效。对此他乐在其中。贺泓常说,个人的命运和祖国的命运密不可分,只有把我们的人生融入到了国家进步、民族复兴的伟大进程中才是无悔的人生,我们要做出无愧于这个伟大时代的工作!
  贺泓说到了,也做到了。他的付出,人民看得到,蓝天看得到,时间看得到。
  
  
  
专家简介:
  
  贺泓,中国工程院院士。现任中国科学院生态环境研究中心副主任、区域大气环境研究卓越创新中心首席科学家。研究员、博士生导师,日本东京大学理学博士。致力于环境催化体系设计、技术研发及其在大气污染物催化净化方面的应用,取得了柴油车排放污染控制、室内空气净化和大气灰霾成因及控制方面的系列成果。获2011年度国家技术发明奖二等奖、2014年度国家科技进步奖二等奖、2017年何梁何利基金科学与技术创新奖。

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