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从“合成石油”到“洁净能源”——“追求一流”让科技成果竞相迸发

时间:2019-09-17     来源:中国科学报

石油被称为现代工业的“血液”、但在新中国成立之初、百废待兴之时,它却成了阻碍中国经济发展的绊脚石。

ag捕鱼王身处特殊年代,中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)的科学家让研究方向与民族振兴同向同行,将个人志向与国家命运相融相连,把发展水煤气合成液体燃料、支持新中国石油工业的恢复作为自己光荣的使命,解决了国家的燃眉之急。

ag捕鱼王这是大连化物所紧扣时代脉搏所取得辉煌成就的一个缩影。70年,一项又一项创新成果从这里汩汩涌流,一代又一代科研人在此生生不息……

心怀大局赴使命

ag捕鱼王1953年,新中国第一个五年计划实施,随之而来的是《1956年至1967年科学技术发展远景规划》的起草、论证,它关乎国家科技发展的大计。

ag捕鱼王为此,大连化物所确定了三方面的规划内容。除了继续发展人造石油技术、提高原油加工技术,还要瞄准国民经济和国防建设所需的产品。

ag捕鱼王抗美援朝战争爆发后,国内急需炸药,甲苯作为炸药的重要原料非常短缺。研究所研制出七碳馏分脱氢环化制甲苯催化剂,并最终成功实现工业化生产,对当时的国防事业发挥了不可磨灭的作用。

1958年,“两弹一星”研制被提上日程。中国科学院原副院长张劲夫曾在他的著作《请历史记住他们——关于中国科学院与“两弹一星”的回忆》中提到,当时中科院有四个最知名的化学研究所参与其中,号称“四大家族”,当中就包括大连化物所。

ag捕鱼王上世纪60年代,国家从苏联进口的航空煤油供应中断,大连化物所迅速将加氢异构化催化剂列为攻关重点,1966年在大庆建成我国自行设计的规模最大的航空煤油厂。

ag捕鱼王1962年11月,青岛的深秋海风微凉,可它丝毫没有影响张大煜、白介夫、朱葆琳、顾以健、张存浩等人的澎湃之心。

ag捕鱼王他们参加的是一个关乎大连化物所未来的重要会议。这次青岛会议也是研究所科学目标和学科方向选择最关键的一次转折。

根据国家战略目标的转移,他们讨论、制定了建成综合性研究所的规划,确立了催化、色谱、燃烧、金属有机、化学反应动力学和物质结构等6个学科领域,以及火箭推进剂、重有机合成、技术装备三项任务。

ag捕鱼王此后,无论在基础研究还是技术创新领域,大连化物所开始多点开花。

ag捕鱼王1965年,研究所无惧国外技术的严密封锁,承担了全国工业交通技术革命重点攻关项目——合成氨原料气净化新流程三项催化剂的研制任务,短短半年内就使我国合成氨工业从20世纪40年代的水平,一跃进入世界先进水平。该成果被中央五部委联合表彰为新中国成立以来16项化工先进技术之一。

ag捕鱼王1978年,随着科学春天的到来,大连化物所第一个“微观反应动力学研究室”应运而生,并研制出我国第一台交叉分子束实验装置等重大成果,多项课题获中科院科技进步奖和国家自然科学奖。从这里走出的楼南泉、张存浩、朱清时、何国钟、沙国河、杨学明、张东辉先后当选为中科院院士。

厚积薄发促转化

世纪之交,中科院实行知识创新工程,大连化物所作为首批试点单位之一,在多年蓄势的基础之上,进入一个快速发展时期。大连化物所所长刘中民眼里的“好东西”频频闪现。

李灿在1996年回国后开展的第一个课题是启动我国紫外拉曼光谱催化表征研究。尽管历经波折,但经过两年奋战,研制成功我国第一台用于催化和材料研究的紫外共振拉曼光谱仪。由于这项技术的创新性和对催化材料表征的重要意义,它被国际权威科技媒体评述为当时研究表面催化的三项重大进展之一,并获得了中科院发明奖和国家技术发明奖二等奖、国际催化奖等。2003年,李灿成为中科院最年轻的院士之一。

ag捕鱼王同一时期,张涛团队攻克了催化剂的结构强度、低温活性、工程放大等难题,使肼水燃料催化分解技术成功用于某型飞机的应急动力系统,为飞机设计定型、打破国外封锁,作出了重要贡献。该成果在2006年获得国家技术发明奖二等奖和国家科技进步奖特等奖。

2011年,杨学明团队联合上海应用物理研究所提出的“大连相干光源—大连极紫外自由电子激光”项目,成为国家自然科学基金国家重大仪器专项第一个资助经费过亿的项目。6年后,当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置——“大连光源”,发出了世界最强的极紫外自由电子激光脉冲。刘中民颇为兴奋地表示,这一为探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革而建立的前所未有的研究工具,也将成为世界级的人才高地和学术交流平台。

从“科学救国”的实践中成长起来的大连化物所,一直秉持“国家最需要什么,我们就搞什么”的文化传统。

“归根到底,最终能够解决国家发展需求的并不是科学家,而是企业家!”大连化物所党委书记王华道出了背后的根本逻辑——技术研发和成果转化的无缝对接,才是大连化物所独特的优势所在。

每一个大连化物所人都知道一个引以为傲的故事,它跨度30年,历经4代科研人。

上世纪80年代初,为了应对石油危机,保障能源战略安全,大连化物所开始部署一项煤代油的前沿研究——甲醇制烯烃。经历了失败、研究,再失败、再研究,终于在上世纪90年代中期有了一定的技术储备。

ag捕鱼王刘中民在此时接过带头人的接力棒,一路筚路蓝缕、栉风沐雨,只为改进并推动这项研究成果的工业示范及规模生产。但由于国际原油价格低廉,没有一家企业看得上这项技术。

ag捕鱼王百炼成钢的刘中民蛰伏了好几年,但从未放弃。2004年,国际油价开始回升,这项技术才真正迎来了春天。

几乎没有依靠国家资金的注入,大连化物所与新兴能源科技有限公司、洛阳工程公司合作,建成了世界上第一套万吨级甲醇制烯烃工业性试验装置,于2006年完成了工业性试验,2010年实现首次工业化生产。

现如今,甲醇制烯烃第三代技术也已经完成千吨级中试,其系列技术已经签订了25套装置的技术实施许可合同,烯烃产能达1500万吨/年,为我国创造了一个战略性新兴产业。

2014年,这项成果获得国家技术发明奖一等奖。在刘中民看来,成果转化的关键在于,“研究机构能否提供企业和社会真正用得上的技术发明”。

在以市场为导向、瞄准企业急需的核心技术方面,干气制乙苯也是一个极为出色的代表。

ag捕鱼王催化干气制乙苯技术是将炼油厂催化裂化、催化裂解等装置产生的干气中的乙烯与苯反应生成乙苯,这叫“变废为宝”。

ag捕鱼王1985年,时任大连化物所副所长的李文钊带队到抚顺石化公司考察,并提出要开发一条新的难度极大的催化干气制乙苯技术路线。

ag捕鱼王大连化物所知识产权与成果转化处处长张晨介绍,由于科研人员长期在产业化技术研发的环境中浸润,储备充足,工业化能力强。到1993年,团队就已经完成了从小试、中试到放大生产的过程,干气制乙苯工业化试验装置建成并实现一次投产成功,达到了当时的世界先进水平。

ag捕鱼王截至2019年初,这项技术在国内开工建设和投产的工业装置共23套,总规模达到200余万吨/年乙苯的生产能力,实现投资总额达120余亿元。

“如今,大连化物所与企业的协同创新、合作,已经覆盖了从基础研发的最前端,到技术商业化的各个环节。”张晨还提到,在这一发展历程中,大连化物所年专利申请量已经从2000年的114件增加到2018年的1519件。

从零开始布新局

也许是当年冲着张大煜才来到大连化物所读研的缘故,中科院院士李灿身上也有着一份异乎寻常的使命感。

作为国际催化学会理事会第一位中国科学家主席,李灿早就是国际催化领域塔尖上的人物。但在2000年,这位功成名就的科学家出人意料地放弃了传统催化研究方向,转而投身催化界的世界难题——太阳能光催化分解水制氢。对他而言,一切几乎从零开始,且长期难以得到工业界的支持。

关于这个决定,李灿是这样解释的,“过去百年历史的传统催化主要是在解决化石资源作为能源和材料的转化过程中发展繁荣起来的, 今后的催化应该更关注人类社会生态环境可持续发展的问题”。

经过审慎考虑和认真调研,他坚信太阳能催化分解水制氢与未来清洁能源发展、国家战略研究方向是高度契合的。

于是他从大学基础光电物理开始,从搭建实验仪器到装置运行,从组建团队到规模逐渐扩大,从3年不发文章,到产生多项重要成果,从基础研究再到应用研究,坚持了整整18年。

这种长线研究走得太难、太远,其中的坎坷、困惑,只有李灿自己清楚。

现在,这一研究方向已经发展为世界科技热潮,而他的研究工作在国际上也由最初的“跟跑”“并行”,到了“领跑”的位置。由于在太阳能光催化这一领域作出的突出贡献,2017年,李灿被授予日本光化学学会颁发的光化学奖;2019年,获得首届亚太催化成就奖。基于太阳能科学转化的基础研究成果形成的太阳燃料合成技术,目前正在甘肃兰州进行我国第一个千吨级工业化示范工程装置试验。

无独有偶,在大连化物所,李灿不是唯一做出这种选择的人。2000年,作为中国科学院“百人计划”人才从日本回到大连化物所的张华民,最初以燃料电池为研究方向,后于2004年开发出我国第一台150千瓦城市客车用氢/空气燃料电池发动机,实现了我国大功率燃料电池发动机从无到有的突破。

ag捕鱼王然而,他也完成了一次“陌生”的转身,同样瞄准清洁能源,研究的是主流储能体系之外的全钒液流电池,以解决风能、太阳能等可再生能源发电中遇到的难题。

截至2018年,大连融科储能技术发展有限公司与大连化物所已合作实施了30余项全钒液流电池储能系统工程示范和产业化应用项目,其电解液、电堆及储能系统已出口到美国、德国和日本等国家。这是目前全球唯一掌握完整全钒液流电池储能全产业链的团队。

ag捕鱼王李灿抑或张华民的选择没有追随热点,相反,都是从当时的极冷处入手。

“大连化物所很少从事短平快的研究项目。那些出色的科研成果,至少耕耘十几载,才得以开花结果。”王华由衷地佩服这些科学家的精神风骨。

不管眼下是冷还是热,有资源也好没资源也罢,正是靠着科学家的战略思维、长远眼光,响应国家的大政方针,提前寻找新的研究点,才让研究所的发展后劲十足。

ag捕鱼王2007年,大连化物所经国家批准筹建洁净能源国家实验室,10年后,大连化物所联合中科院院内20 余家能源领域优势力量,筹建中科院洁净能源创新研究院,并将可持续发展的能源研究作为主导方向。

在刘中民看来,能源领域的创新研究面临多学科交叉、风险大、时间长、技术难的特点。在新的历史发展阶段,加强学科布局和发展方向的顶层设计,集中力量、统筹规划,将是引导能源领域重大科研成果不断输出的重要保障。

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