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专注绿色碳科学研究——“闲不住”的何鸣元院士不断催化低碳“美酒”

来源:新民晚报     记者:王蔚     作者:王蔚     编辑:任天宝     2024-07-10 17:37 | |

       2024绿色生态创新大会日前在沪举行。全球顶尖科学家就推动经济社会绿色化、低碳化发展展开讨论。中国科学院院士、上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室名誉主任何鸣元作首个主旨报告,题为《绿色碳科学:水的作用》,从碳、氢、氧三元素基本规律的角度分享他对绿色碳科学中水的作用的最新思考。

习惯了每天去上班

84岁的何鸣元院士很忙。约他采访也颇不容易。华东师范大学化学与分子工程学院在普陀校区里有实验室和办公室,只要不出差,何院士每天都在这里上班。但最近一段时间好像出差挺多的,既去各地出席学术性会议,也深入边远地区给中小学生做科普报告。

图说:和同事交流让他保持思维敏捷 新民晚报记者 陶磊 摄(下同)

“我习惯了坐班制啊,不上班真不知道做什么。到学校来,在学院的实验室里哪怕走走看看,听听年轻同事讲讲最新的科研成果,这都是我的工作。”何鸣元院士的办公室很朴素,专业书籍、资料袋在柜子里放得满满的。他说自己每天早上8时左右进学院大楼,到下午5时后才下班,这是几十年养成的习惯,在家里实在坐不住啊!

坐不住的何院士长期从事催化材料与炼油化工催化剂研究,发明了一系列沸石合成与改性的新方法并开发出多种炼油催化剂,为我国重油裂化、提高催化裂化汽油辛烷值、新标准汽油生产等技术进步,以及发展绿色低碳新技术,不断做着新贡献。

石化产品不是苦酒

“上世纪80年代提出的可持续发展理念,让我明白了一个道理:必须既满足当代人的需要,又不对后代人构成危害。这是人类一个世纪以来最深刻的警醒,已被全球广为接受。”何鸣元表示,可持续发展理念形成的根源,离不开多年在化学与化工领域的深耕。他说:“我是搞石油炼制化学的,制造的催化剂虽加快了石油产品的生产,但生产过程的发展也增大了对环境的污染,着实令人苦恼。我常在想,我们好像是在端着一杯自己酿制的苦酒。因为,如果我们的催化过程一边生产着油品和化学物品,一边却排放着有毒有害物质,那就成为化学家的耻辱了。我们有责任要将手中的苦酒变成有益于人类发展的‘绿色美酒’。”

何院士坚持认为,解决清洁燃料生产的难题,首要的是催化剂和催化过程的开发研究。从绿色化学的角度看,依靠传统技术生产的汽油和柴油,存在着严重的污染。要让汽油、柴油的质量与国际接轨,这对催化裂化、加氢、烷基化和异构化等石油炼制技术的绿色革命提出了新要求。同样,对于有机化学品的合成,也应该从源头上把关。我国已有的多种有机化学品的生产技术,不少是从国外引进的老工艺,生产过程中要排放大量废物,有的还使用有毒有害的原料、催化剂或溶剂等。因此,加强导向性基础研究,实现我国基本有机化学品合成的科学与技术跨越,也正当其时。

创造绿色科技成果


图说:对“绿色碳科学”理念的本质有着深入思考

何鸣元说:“作为国家绿色化学项目的首席科学家,我曾组织石油化工科学研究院、北京大学、四川大学、厦门大学、中国科学院过程工程研究所、北京石油化工学院等一批科研院所的80名专家教授共同进行研究。作为科研工作的总结,我们编写了《石油炼制和基本有机化学品的合成的绿色化学》专著,介绍了我们历时5年在绿色化学方面的科技成果以及新的科学思想,同时提出了我国绿色化学的发展目标。要实现这一目标,还必须动员全民的力量。”

今年在上海举办的绿色生态创新大会上,何鸣元院士提出:碳能源体系的合理运行是基于氧化和还原两个对立而统一的反应实现碳中和,绿色碳科学的核心观点就是平衡和循环,水分子中含有的氢原子和氧原子成为三元体系转化的核心,还原过程的进行决定于氢。如何通过基础研究与技术创新有效发挥水在氧化还原过程中的作用,对绿色碳科学及未来的能源化工体系的形成具有至关重要的影响。

[成长路]:从元素周期表中感悟大自然之美

55岁时当选中科院院士,成为我国化学领域的翘楚;古稀之年以来,又陆续被授予“中国催化成就奖”“分子筛终身成就奖”和“化学贡献奖”。但他说,这辈子其实一直在反思化学,这就是何鸣元的为学品质。弟子们说,何院士每天都在从元素周期表中感悟并创造着大自然的和谐。

化学之梦始于少年

“我的爷爷是位私塾先生,父亲原先是学纺织的,后来受到爷爷的影响,他当了一名教师。所以,我是成长在一个教师之家,这让我们兄妹六人从小就浸润于书香之中。虽然家境并非殷实,但看书却不用我们几个孩子发愁。小时候,我跟兄弟姐妹们时常边吃饭边看书,仿佛只有这样才越吃越香。对于我们的这个习惯,爸妈也不怎么管。”

何鸣元就读的是江南名校苏州中学,他说:“我家住在离苏州中学不远的干将坊,古城古巷古宅,粉墙黛瓦,庭院深深。每天清晨去上学,沿着被岁月打磨得光滑而圆润的石子铺就的小巷之路,西行到乐桥后,又从人民路向南,经饮马桥到三元坊,就到了与千载文庙连成一体的苏州中学。上课钟声未鸣,整个校园就遍闻琅琅读书声,令每一位学子感受到蓬勃向上的生机。50年后,当我重新回到苏州中学校园里时,依然像当年那样兴奋与激动,毕竟我一生之学业始于此,事业之根基立于此。”

何院士说:“少年时代,我最初的爱好要数文学。进入中学后,学校来了位化学老师,名叫孙心慧。他讲课条理清晰、体系严谨,平时虽不苟言笑,但对学生体贴入微,我自然很喜欢他,久而久之渐渐有些喜欢化学了。继孙老师之后,授化学课的是许楠英老师,许老师授课像元素周期表似的条理分明、语言精练,这让我无意中对自然界的对称与和谐有了一种朦胧美之意象。记得我的一份考卷被许老师作为答题简练准确的范例而公示,使我既感自豪更升腾起一种想探究化学奥秘的愿望。但是,愿望与现实之间充满变数。”

他说:“从苏州中学毕业后,虽然我的考试成绩很不错,但因为种种原因没有被我报考的清华大学录取,进了在上海的华东纺织工学院就读。后来,这所学校先后改名为中国纺织大学和东华大学。我是1957年进大学的。四年的大学学习,我把化学世界的景象粗粗地浏览了一下,其中尤其对化学纤维的生产工艺产生了相当浓厚的兴趣。”

让汽车减少冒黑烟

1980年,何鸣元以访问学者的身份去美国研究学习。最初,他在美国西北大学做载持有机金属络合物研究,对所研究的金属络合物体系做出了开创性的贡献。两年后,他转入得克萨斯大学,继续以访问学者的身份进行催化化学的相关研究,这一年完成了5篇论文,均在领域内的重要期刊上发表。

1984年冬季,何鸣元回到祖国,立即被中国石油化工科学研究院委任为新成立的基础研究部主任。他带领研究团队很快研制成功独特的超稳Y型分子筛等新材料。1994年,一种Y型分子筛催化剂获得中国石化总公司创造发明一等奖,次年又获得国家创造发明二等奖。随后,ZRP系列分子筛被开发出来,Beta分子筛及其新合成方法也相继问世,从而在分子筛和炼油催化剂领域先后解决了不少当时国家亟待攻克的难题,其中ZRP系列分子筛于1995年被国家科委评为我国十大科技成就之一。

何鸣元在石油化工领域,尤其是催化裂化技术领域作出了不少创新性贡献。他深入研究并区分裂化过程的双分子反应和单分子反应途径,奠定反应分区的理论基础。他还和许友好同志一起实现了双反应区工业过程创新,并大规模实施。二十年来,何院士和同仁们改造了我国百分之八十的催化裂化装置,实现了低碳高效转化,创造了巨大的经济效益和社会效益。

惰性分子活化起来

在华东师大普陀校区化学馆底楼,A102实验室令人印象深刻,因为自从何鸣元院士创建实验室后,这里就成了研究人员攻克科研堡垒的阵地。有一台衣橱那般大的实验仪器——“催化剂评价装置”,只需9克催化剂,就能模拟中试放大甚至工业生产过程,实验参数与实际参数可精准到0.01%。

何鸣元非常重视实验室成果转化,2010年前后他曾拿出自己的科研经费凑得300多万元,从美国垄断企业引进了这套装置。从冷场发射扫描电镜到300M固体核磁共振仪,实验室每一台仪器都凝结着他的化学变革之心。

如同一名冲锋在前的战士,何鸣元攻下的堡垒一个接着一个。他长期从事催化材料、炼油化工催化剂与工艺研究,发明了一系列沸石分子筛合成新方法与炼油催化剂,开发了双反应区催化裂化增产汽油异构烷烃MIP工艺(Maximum Isoparaffin Process)等多个具有自主知识产权的新工艺,为发展我国重油裂化技术、提高催化裂化汽油辛烷值、开发新标准汽油生产技术等作出了突出贡献。他还是我国绿色化学的奠基人之一,以国民经济可持续增长为目标,大力倡导和推动绿色化学与化工学术研究与技术开发。

2001年,何鸣元担任科技部国家基础研究重大项目(2001—2005)“石油炼制与基本有机化学品加工的绿色化学”首席科学家,推动了多项绿色炼油与化工新技术的突破和工业应用。针对碳资源利用过程中所面临的效率低、污染物排放严重等问题,2011年,何鸣元和合作者从碳资源加工、利用和循环等全周期考虑,提出了“绿色碳科学”的概念,对碳资源的高效、清洁、循环利用具有重要的指导作用。

近年来,他发起并主持了以“可持续发展能源化工的科学基础:绿色碳科学与绿色氢科学”“沸石分子筛:等级特性、选择催化与分子工程”“绿色生态环境与化学化工”等为主题的香山科学会议以及其他高水平学术会议,为相关学科指出了发展方向。

“绝大多数的化学反应都需要催化剂的帮助,越是难做的反应越需要好的催化剂。目前剩下的、尚未攻克的反应越来越难推动进行,比如碳循环过程中的反应、碳的高效转化。尤其是要把二氧化碳这样的惰性分子活化起来,生成我们需要的化学品,非常具有挑战性。而且,要从水中分解出氢也是很困难的。这些都需要依靠催化科学发展到更高的高度,需要更有效、更活泼、更高选择性的催化剂,使反应更有利地进行。催化科学的发展不仅涉及碳科学包含的各种问题,对人类未来生存和发展也具有重要意义。”他说。

创新跃入哲学境界

何鸣元对“绿色碳科学”理念的本质有着深入的思考。他认为,碳是形成生命体的必要元素,包括生物质在内的碳能体系,使人类祖先脱离了茹毛饮血时期,进入碳文明时代。碳能体系的运行生成二氧化碳,形成地球生命体赖以生存的温室效应。可以说,没有碳就没有生命,没有碳就没有人类文明,没有二氧化碳一切生命都不能延续。就碳而言,其要素一是平衡,二是循环。对绿色可持续发展观念的理解,可以基于经济增长、资源、环境三者之间的三元制约关系。将资源代之以碳能源,环境代之以二氧化碳,则可以从经济增长、碳能源、二氧化碳三者之间的三元制约关系,来理解“绿色碳科学”的理念。

越是在自己擅长的领域长年累月耕耘,何鸣元对化学的认识越是跃进到了一个哲学境界。他说,老子的道德经把宇宙万物及其运行规律称之为道,“道生一,一生二,二生三,三生万物。万物负阴而抱阳,冲气以为和”,碳能体系就其重要性可认为属于宇宙万物及其运行规律的范畴。以碳能体系作为研究对象并以此为一。道的一个重要主题是自然界万物的二元性,如太极图所示,白色区域代表阳,或正,黑色区域代表阴,或负。两者互补且不断地相互对抗和相互作用,然而没有对方自身便不复存在。“对于我们研究的碳能体系,其化学基础由氧化和还原两个部分的反应组成,两者相反而互补,可以此为二。碳能体系由碳、氢、氧三元素所构建,这三种元素足以有效完成碳能系统中发生的所有氧化和还原反应,是为三。基于碳氢氧三元素可发生众多的反应转化和产生众多的化合物分子,是为‘三生万物’。”

在给学生讲课或是作学术报告时,何院士常常以李叔同的诗句作结语:“长亭外,古道边,芳草碧连天。晚风拂柳笛声残,夕阳山外山。”他说,这是一幅意境悠远的田园诗画,自然与生命之美的核心就在于这一个“碧”字,这也是绿色碳科学的真谛。百年前诗人对未经工业化摧残的生态环境的描述可概括为“天涯何处无芳草”;百年后的今天,世界发生了触目惊心的变化;再过百年又将如何?会不会变成“天涯何处觅芳草”?世界的未来,取决于人类是否能尊重自然、敬畏自然,共同构建可持续发展的和谐环境与社会。

[智者心]:独立思考和批判精神不可缺

|▲▲ 听说您和夫人双双获得过法国的“骑士勋章”?

答:那是十多年前的事了。我和妻子各自获得一枚“棕榈叶骑士”勋章,这一奖项用以表彰世界范围内对法国文化交流做出杰出贡献的本土及海外人士。我从北京到华东师大工作后,妻子钱蕴华也被调入华东师大国际交流处,积极参与并促进了与法国高师集团成立中法联合研究生院及联合研究院的创办和运行。

|▲▲ 您业余生活有哪些爱好呢?

答:其实我真没什么业余爱好。做了一辈子科研工作,脑子里想的就是专业领域的事。我真想不起来了,是什么时候去过电影院,是什么时候逛过公园。或许我就是这样一个在生活上没什么“情趣”的人吧。所以,我离不开办公室,离不开实验室,离不开同事和学生。

|▲▲ 能成为院士的学生一定是件十分荣幸的事。您在指导学生方面有什么“秘诀”吗?

答:说实在的,当我的学生并不“荣幸”,因为我常常顾不上他们,有时间顾上了,自然就指导得多一点。

除了专业指点,我更要求学生们必须培养独立思考的习惯和能力,在学术探究上要有批判精神,要博学、慎思、明辨。

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何鸣元 石油化工专家、中国科学院院士

1940年2月出生于上海

1961年毕业于华东纺织工学院(现东华大学)应用化学系,到石油化工科学研究院工作

1980年12月赴美国西北大学开展合作研究

1982年12月在美国得克萨斯大学奥斯汀分校合作研究

1984年1月回石油化工科学研究院工作,历任课题组长、基础研究部主任、副总工程师、总工程师等

2000年始兼任华东师范大学教授,上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室主任

● 现任上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室名誉主任

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