——记四川大学化学工程学院教授印永祥

　　□　张艺璇

　　
　　自19世纪的产业革命以来，化石燃料备受各国工业生产青睐，开采及消费量一路飙高。时至今日，煤炭、石油、天然气等化石能源的消耗量仍高居不下。化石能源的大量采用带来了人类社会的巨大进步，同时由此带来的能源危机和气候生态变化也悄然而至。
　　借助自然的馈赠，太阳能、风能、水能等可再生能源的开发应运而生，然而这些能源总是以电能的形式获取并服务于人类社会。“电能不能提供化学工业所需原料，不足以驱动、支撑整个社会的发展，人们的日常生活还需要具有化石能源特色的资源。” 在指出化石资源对社会发展的必要性的同时，印永祥还强调“化石燃料的大量使用，已经引起了大气中二氧化碳浓度远超出生态安全标准”。此情此景，究竟该如何化解能源危机，拯救地球生态环境于水火之中？印永祥选择了利用热等离子技术这种独特方法转化二氧化碳，将可再生物理能源转化为化学能，走上“类化石”物质的研究之路。
　　

碳中性的能源结构

　　能源是保障生物生存及人类社会前进的重要物质基础。人类对于能源的使用发展历史，印永祥表示可大致分为3个阶段。“草木能源，化石能源和可再生能源”。在人类文明时代开启以前，地球生物皆是被动享用太阳能源。火种的发现使人类进入初级文明，开启了主动使用木头、野草燃烧取暖、做功的时代。随着社会和人类的不断进步，工业革命把化石能源引领到历史舞台，蒸汽机轰响与社会生产力发展并驾齐驱。当面对化石能源危机和二氧化碳导致的气候生态变化时，人们又转而寻求水能、风能、太阳能等可再生清洁能源。
　　可再生能源虽然在清洁性、长久性方面更胜一筹，但也存在着不可忽视的问题。“可再生能源只能提供能量，不能提供化学工业原料，难以大规模储存，而且其生产具有极强的时间和空间局限性。”印永祥解释道，“例如太阳能、风能分布对地域和季节有着极强的依赖性，只能以电的形式获取，需要大规模储存与输送到终端用户。即便未来社会可以实现完全靠电能驱动，现今基于使用化石能源的生产方式和社会基础设施也将遭受巨大的变革，由此带来的变革成本则是无法估计的。”
　　化石能源是依靠自然的力量、经过漫长的时间积淀而形成。在阳光的作用下，空气中的二氧化碳和水最终转化为石油、天然气等能源物质。基于对化石能源构成、来源的认识，科学研究人员提出了以人工介入的方式，以电能为代价，将二氧化碳和水转化为类石化能源产品。“将电能转化为化学物质为未来社会提供方便运输、储存和使用的原燃料，是未来社会必须面对的问题，也是提前布局、应对石油、天然气日益枯竭的战略问题。”正是受到该思路的启发，印永祥决定投身到一场能量转化的战役当中。
　　针对化石能源危机及大气中二氧化碳浓度不断升高现状，印永祥选择了在近期内以二氧化碳、煤炭、天然气和水为原料；远期以二氧化碳和水为原料制备碳烃物质的研究方向，以期实现二氧化碳减排和“类化石”燃料人工合成。“从科学原理上讲，从空气中捕集二氧化碳，用电能将二氧化碳转化为一氧化碳，通过电解水制氢气，进而以一氧化碳和氢气为原料可以合成现今人们习以为常的各种化学品和燃料。”印永祥表示，加以可再生能源电能或物理能源驱动，过程将呈现二氧化碳和水→碳烃燃料→碳烃燃料燃烧后重新生成二氧化碳和水的循环，真正意义上实现二氧化碳零排放，形成碳中性的能源消费结构。
　　

力促转化难题的解决

　　运用独特方法的碳循环能够真正达到零碳增加，从理论层面和应用价值而言，不仅能够一劳永逸地解决化石能源逐渐枯竭带来的液体燃料匮缺问题，而且可以永久性地提供人类发展必须的有机化工原料。然而长久以来，电解水制备氢气的工艺虽已基本成熟，但如何将二氧化碳高效转化为一氧化碳的难题仍横亘在科研人员面前。
　　“当前，国际上转化二氧化碳的研究主要集中在两点：工程上可行与经济上可行。如果技术能够实现转化但却不足以推广放大，不能满足成千上万吨的生产，它也就丧失了价值。同样，工程上可以实现，但经济代价过于庞大也是不可取的。”在印永祥看来，工程化和经济可行性主要体现在二氧化碳的转化率、转化过程中的电能消耗等层面。通俗地讲，眼下亟待解决的是如何低成本、高效率地实现二氧化碳转化一氧化碳。
　　经过充分的文献调研，印永祥了解到，二氧化碳在温度高于3000开尔文的情况下通过热裂解可实现高于70%的理论转化率，而热等离子体技术完全可以满足该高温要求。剩下的问题便在于裂解气流出等离子体发生器时，该如何避免逆反应的发生，以获得高效的实际转化率。通过动力学模拟，印永祥及其团队获得了一大批理论数据，并由此开展了热等离子体裂解二氧化碳的开创性实验研究。
　　要想达到二氧化碳的高转化率，以及制备过程中高度的能量效率，关键之处在于快速急冷裂解气或快速消耗裂解气中的自由氧。为此，印永祥率团队成员利用超音速气动物理急冷、焦炭化学急冷等技术，分别与热等离子体联用开展实验验证。“我们分别设计了以拉法尔喷管进行物理急冷、焦炭为化学急冷剂作用于热等离子体二氧化碳裂解气的实验。多次重复实验，最终实现了二氧化碳转化率提升至95%，过程能量效率提高到81%的实验结果。”印永祥自豪地说道。
　　在谈到相关技术原理时，印永祥指出：“采用电弧放电的热等离子体很容易将二氧化碳裂解为一氧化碳、氧原子和氧气，其中的氧原子和氧气与碳发生部分氧化会生成新的一氧化碳。部分氧化产生的热量又被用来促进剩余的二氧化碳与焦炭反应，继续生成一氧化碳，这样就大大提高了过程中的一氧化碳收率和电能效率。”
　　从数据对比而论，印永祥课题组获得的二氧化碳转化率及能量效率，较之国际同类研究有着鲜明的优势。“可以清楚地看到，我们研究中的二氧化碳转化率几乎达到100%。以转化的二氧化碳计，一氧化碳的收率则为200%，过程能量效率也达到81%，这是远优于目前世界同类研究所得结果的。”用数字说话，印永祥对热等离子体高效转化二氧化碳表现出十足的信心。一系列实验结果获国际同行赞誉，相关技术也被认为在能源领域具有广泛的发展潜力和市场竞争力。
　　

始终如一地聚焦能源问题

　　对于能源技术的探索似乎贯穿了印永祥的科研生涯，而等离子体研究自然是其中的重头戏。1928年，美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯首次将“等离子体”引入物理学。作为一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，等离子体常被视为物质的第四态，广泛存在于宇宙之中。它是物质的高能态形式，因此成为了材料、能源、信息、化工等科学研究创新发展的新方向。
　　在能源研究的范畴内，受控核聚变之于国家战略发展有着非比寻常的意义。出生于1955年，经过了“文化大革命”，印永祥从上山下乡的浪潮中走了出来。“1977年，国家做出了恢复高考的决定。由于我在下乡期间及工人阶段一直坚持学习，阅读了许多数理化书籍和哲学著作，所以以初中毕业的身份顺利地考上了四川师范学院（现今四川师范大学）物理系。”印永祥回忆道。他表示，自己最初本是抱着日后教书育人的信念开展学习，然而时至1982年，受国家“两弹一星”的影响，考取了当时国家最大的受控核聚变基地——核工业西南物理研究院，正式与核聚变与等离子体物理专业结缘。
　　“那时候，感觉核研究是一件崇高、神秘的事情。而我的专业就是围绕氢弹的反应原理——氢氘反应展开，希望通过受控核反应使能量的放出缓慢进行，使得反应不再具备危险性。”在那段时间里，印永祥积极投入到核聚变、裂变混合堆的最新物理研究中，参研和主持的项目分别获得原核工业部科技进步奖二等奖、三等奖。
　　20世纪90年代，国际形势发生重大变化，包括美国在内的世界多国削减受控核聚变研究经费。我国正处于改革开放初期，经济建设被视为国家发展的首要任务。为适应国家规划布局，印永祥从受控核聚变等离子体理论研究转型，向更侧重于工业应用的等离子体化工、绿色化工等方面靠拢。“我们研究工作的最大特色在于用等离子体为反应体系提供活化能。”入职四川大学，从事等离子体化工研究多年，印永祥率课题组先后于Progress of Energy and Combustion Science、Journal of CO2 Utilization、International Journal of Hydrogen Energy、Catalysis Today、IEEE Transactions on Plasma Science等国内外刊物上发表SCI论文70余篇。
　　尤为值得一提的是，在大力促进等离子体与能源的交叉学科研究的同时，印永祥还长期兼顾与环境领域相关的光伏太阳能发电研究。“光伏太阳能发电需要多晶硅材料，而制备多晶硅是一个高污染的化学过程，最终形成的高聚氯化物问题长期没有得到解决。”经过几年的不懈努力，印永祥所在课题组成功开发了综合利用多晶硅生产过程的高聚物技术并实现了工程化应用，为我国全面达成多晶硅制造绿色化、安全化生产提供了技术支撑。
　　从受控核聚变研究到等离子体化工、绿色化工，在印永祥看来，科学研究均具有一种普遍的规律，即需要广博坚实的理论基础，敏锐的洞察能力和锲而不舍的坚持。“研究本身实际上就是在探寻不同的未知。作为一个职业科技工作者，总会遇到困难并想办法克服。”正是因为明确、积极的心理认知，印永祥并未感觉到工作带来的沉重压力，反而十分享受挑战的过程。他表示，坚实的理论基础是科学工作者的素质，敏锐的洞察力使其思想永葆活力，锲而不舍的精神是成功的保证。
　　在接下来的规划中，印永祥仍会以等离子体高效转化二氧化碳技术研究为重点，会进一步统筹其全寿命周期降低成本，尽快开发相关工程化应用装置。作为一名传道解惑者，他对青年人的培养寄予殷切希望，表示会将自身经验毫无保留地传递给青年学者和学生。与此同时，他也期望看到年轻的科技工作者可以多元化地开阔视野，静下心来苦练“内功”和锲而不舍地坚持自我。“既然选择将科学研究作为一项职业，从业者就必须要对时间有敬畏之心，在科学的道路上不断攀登，即使未能到达光辉的顶点，也势必为后来的攀登者留下脚印。”
　　
　　
　　
　　　
专家简介：
　　
　　印永祥，四川大学化学工程学院二级教授、博士生导师，欧洲科学技术委员会项目评审特聘专家。早年从事受控核聚变等离子体理论和实验研究工作，后致力于绿色化工、等离子体化工等方向的研究，成功开发出应用于化工过程的热等离子发生器和反应器，并推广至国内科研院所和企业应用。先后在Progress of Energy and Combustion Science、Journal of CO2 Utilization、《催化学报》等国内外专业顶级期刊发表论文70余篇，获省部级科技进步奖二等奖和三等奖各1项。