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程党国:绿色催化的追梦人

来源:  发布时间:2014-10-28

 

   随着全球性环境污染问题的日益加剧和能源、资源的急剧减少,发展绿色化学化工越来越受到各国政府的重视,已成为21世纪的主题之一。

    

本刊记者  王 涵 

   

   程党国,副教授,浙江大学求是青年学者,博士生导师。1979年11月生于陕西省,于2001年7月、2006年3月在天津大学化学工艺专业分别获得学士、博士学位。2006年4月进入浙江大学化工系联合化学反应工程研究所工作,2009年12月晋升副教授。2014年8月受国家留学基金委员会资助,前往美国伊利诺伊大学香槟分校(UIUC)进行为期一年的访问交流,专业特长为催化及催化反应工程。
   先后主持国家自然科学基金项目3项、国家自然科学基金重大项目子课题1项,参与国家“863”计划重点项目1项,在研项目主要集中在新型催化材料(分子筛)的设计与制备、催化反应机理研究等方面。相关研究成果已在Small, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Science, Applied Catalysis A, Industrial & Engineering Chemistry Research等国内外核心期刊发表SCI收录论文40余篇,获国家授权发明专利6件。    
   蓝天、绿地、碧水,清洁、安宁、宜人的环境,是全人类共同的渴望,也是人类可持续发展的基本要求。化学为人类文明和社会进步做出了巨大的贡献,并且还将继续发挥其不可替代的作用。然而,许多传统的化学化工过程目前还存在严重的环境污染和资源浪费。
   近年来,以从源头上消除污染和安全隐患、节省资源为核心的绿色化学引起国内外专家的普遍关注。在解决经济、资源、环境三者矛盾的过程中,绿色化学将发挥重要的作用。据统计,绝大多数化学品的生产过程都有催化剂的参与, 因此绿色催化反应是绿色化学的重要内容。
   浙江大学求是青年学者、博士生导师程党国就是一位专注于绿色催化领域的科研工作者。近年来他主要致力于催化及催化反应工程等领域,针对分子筛催化过程开展了一系列的工作。他带领的创新团队在科研上引导前沿,在产业化上立足国家重大需求,取得了一系列具有国际领先水平的重要研究成果,为我国科技创新体制建设做出了重要贡献。

基础研究创新为本

   上世纪50年代中期,美国联碳公司首先生产出X-型和Y-型分子筛,它们是具有均一孔径的硅铝酸盐结晶体,其孔径为分子尺寸数量级,可以筛分分子。
   自分子筛出现后,1964年联合石油公司与埃索标准油公司推出负载金属的分子筛裂化催化剂。利用分子筛的择形性,继20世纪60年代在炼油工业中取得的成就,70年代以后在化学工业中开发了许多以分子筛为基础的重要催化过程。
   “分子筛,是具有规整孔道结构且能将不同大小分子分离或选择性反应的固体吸附剂或催化剂,是一种结晶型的硅铝酸盐,有天然和合成两种。其结构因SiO2与Al2O3等比例的不同,有不同的型号。分子筛在化学工业、石油工业及其他部门有广泛的应用,如气体和液体的干燥、脱水、净化、分离、回收及催化裂化等石油加工过程。”程党国形象地告诉记者,“分子筛催化剂,又称沸石分子筛催化剂,指以分子筛为催化活性组分或主要活性组分之一的催化剂。它具有离子交换性能、规整的孔道、酸催化活性,并有良好的热稳定性和水热稳定性,可制成对许多反应有高活性、高选择性的催化剂。广泛应用在催化裂化、裂解、催化重整等石油化工反应当中。”
   在研究中,程党国发现分子筛催化过程的复杂程度远远超过他的预期和想象,他和课题组成员付出了超过预料的努力。
   “具体来讲就是,在催化过程中,研究者一般希望将反应的活性位分散于分子筛孔道中,这样分子筛孔道尺寸会影响活性位大小,从而影响反应活性;另一方面,分子筛孔道也会影响反应物与产物在其内的扩散,即在分子筛孔道中存在反应与传递的协同作用的现象,通过对此研究可以为催化剂的结构设计提供指导。我的工作主要针对两个典型反应体系开展工作。”程党国对研究的指向做了简单的阐述。
   “第一个反应是甲烷等小分子转化过程,在这个反应中分子筛孔道主要影响活性位结构及反应机理。我们通过不同的制备方法,调控活性位的种类和空间分布,不但加深反应机理的认识,同时提出了催化剂孔道中存在活性位空间位阻的学术观点,得到研究者的认同。”程党国对自己的科研充满了激情。“选择的第二个反应体系是大分子催化裂解为小分子的过程,如轻油裂解。为了提高大分子反应物在分子筛孔道的扩散行为,提出了合成多级孔分子筛,即在分子筛微孔的基础上引人介孔,从而实现的分子筛性能的提高。将多级孔分子筛体系应用于催化裂解中,催化剂的活性和选择性得到很大提高。在这个研究过程中,同时又发现了一种一步法制备整体型多级孔分子筛的新方法,这个方法区别于传统的分子筛合成工艺,具有环保、高效等特点,已在材料类权威的国际学术期刊作为封面论文报道。”
   为了追求科学真理,他认真钻研、奋发向上、甘当幕后、乐于奉献,有着实事求是的科研作风、严谨的科学态度,从不追名逐利,从不弄虚作假,以一个平凡的科研工作者姿态投身分子筛催化的科学研究领域。

立足国需领航发展

   随着石油资源的日渐衰竭,低碳烷烃作为石油的替代和补充用作化工原料已成为必然,以它们为原料直接转化合成其他化工产品无论从技术还是商业方面都有巨大的吸引力,是当前化工技术领域的一个研究热点。
从2011年立项开始,三年的历程,国家自然科学基金项目“分子筛孔道限域下低碳烷烃氧化反应与传递协同作用机理研究”凝聚了程党国及其科研团队无尽的心血和汗水。
   项目以甲烷等低碳烷烃的直接氧化为研究对象,采用包括XAFS、原位反应技术及分子模拟等各种表征和研究手段,对铁磷酸铝分子筛上低碳烃转化反应与传递协同作用机理进行了系统的实验和理论研究。通过认识分子筛孔道结构对活性位形态和产物脱附的影响机制、氧化反应过程反应中间产物结构的演变规律等,深入地探析了分子筛孔道微环境对甲烷催化氧化反应过程的影响,阐明反应与传递协同作用的机理,以此来进一步指导分子筛的优化设计。
   项目的实施不但能为实现低碳烷烃直接转化提供新的催化技术和理论方法,同时也为化工过程强化提供一种新的研究思路。
   成果的背后是对清寂的坚守和对科学的执著,这份执著使他视科学研究为自己生命的一部分。对科研的热忱是程党国不断奋勇向前的源源动力,对信念的坚持是程党国坚守科研阵地的精神支柱。带着这份激情与执着,他在科研的路上走得更好更远。
   2014年启动的国家自然科学基金项目“面向连串反应的核壳型催化剂的构建及其作用机理研究”,以费托(F-T)合成反应为例,针对其重质烃收率高往往需要再次裂解的问题,在前期工作的基础上,提出了制备新型核壳型F-T合成催化剂,利用壳层分子筛膜的择形及酸催化的特点裂解重质烃,以提高液体燃料的收率。
   程党国团队通过认识憎水性固体颗粒表面分子筛生长及成膜机理,实现分子筛膜在活性炭表面的均匀、连续制备。在此基础上,研究分子筛膜结构对F-T合成过程传质及产物分布的影响,深入分析核壳型催化剂上反应及传递协同作用机理,认识催化剂结构与产物分布之间的构效关系,建立反应的动力学模型,为催化剂的优化构建提供指导。项目的实施可为F-T合成的工业化提供进一步的技术支撑。
   学高为师,身正为范。如今,年纪轻轻的程党国已是浙江大学的博士生导师。他尊重每一个学生的能力、鼓励学生的积极性,他一直秉承这种人尽其才的管理模式,既严格训练学生的科研能力,又鼓励独立思考,充分发挥每个人的创造力,为科学研究的未来培养创新型人才。

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2018年7月下

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