作為化工領域的關鍵性技術，催化劑技術被稱作現(xiàn)代化學工業(yè)的“芯片”。自1923年費托合成技術(間接液化煤制油技術)發(fā)明以來，全球化工業(yè)界有個固有的看法，100%純度的純相碳化鐵不可能作為催化劑穩(wěn)定存在。然而，2024年10月16日，由國家能源集團低碳院高級工程師王鵬《基于純相χ-Fe5C2催化劑的高碳效率合成氣直接制線性α-烯烴技術》的新型催化技術研究成果在《自然》期刊發(fā)表，讓這個持續(xù)百年的偏見被徹底推翻。
“純相碳化鐵催化劑體系”新理論，填補了國際技術空白，對我國突破技術瓶頸，自主掌握高端化學品產(chǎn)業(yè)鏈技術具有重要戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義，將引領我國線性α-烯烴產(chǎn)業(yè)鏈的高端化躍升，進一步彰顯并提升了集團公司在相關領域的科技影響力。
一位名不見經(jīng)傳的青年科研人員，為何能突破化工業(yè)界持續(xù)百年的桎梏，以一項里程碑式的科技創(chuàng)新開啟線性α-烯烴工業(yè)化新紀元?答案在低碳院實驗室里無數(shù)個深夜亮起的長燈里，答案在王鵬那執(zhí)著而堅定的眼神中，答案在那十余年堅持不懈的耕耘和探索中，那傾灑在創(chuàng)新路上的每一滴心血和汗水，都是對這個問題最為精準的詮釋!
勇扛重擔 不懼挑戰(zhàn)
2005年，北大化學系畢業(yè)的王鵬，開始在集團從事煤間接液化催化劑研究。這個身材高瘦、性格樸實的小伙子，很快以扎實嚴謹?shù)膽B(tài)度獲得單位和同事們的認可。2014年，王鵬作為核心研發(fā)人員研發(fā)的國產(chǎn)第一代費托合成催化劑投入使用，為寧夏煤業(yè)400萬噸/年煤炭間接液化示范項目成功投產(chǎn)作出了重要貢獻。在催化劑研發(fā)過程中，王鵬深刻感受到科技研發(fā)和自主創(chuàng)新對國家和企業(yè)的重要意義。他暗下決心，一定要在高端煤化工技術研發(fā)中作出一番事業(yè)，推動我國煤炭清潔高效利用和綠色低碳轉(zhuǎn)型。
催化劑被譽為化學工業(yè)的“芯片”，化學工業(yè)的發(fā)展很大程度依賴催化劑的發(fā)展。在王鵬看來，催化劑就是開啟高端化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路的“金鑰匙”，唯有實現(xiàn)催化劑研究的重大突破，才能從根本上提高集團煤制油、煤化工產(chǎn)業(yè)整體技術水平。自2015年伊始，王鵬作為低碳院煤間接液化技術研究中心青年科學家、團隊技術帶頭人，以降低碳排放、提高穩(wěn)定性和反應效率為方向，毅然開啟了國產(chǎn)第二代費托合成催化劑的研發(fā)。
低碳院聯(lián)合寧夏煤業(yè)研發(fā)的鐵基費托合成催化劑
煤基合成氣轉(zhuǎn)化，主要采用價格低廉的鐵基催化劑，但存在二氧化碳選擇性高、碳利用效率低、活性低的問題。在第二代費托合成催化劑研發(fā)之初，王鵬的思路并沒有被傳統(tǒng)觀念所束縛，而是對鐵基催化劑催化活性產(chǎn)生的本質(zhì)——活性相與活性位問題進行深入思考。他在查閱大量文獻的基礎上結(jié)合多種先進原位表征技術，對鐵基催化劑的活性相和活性位問題進行反復實驗，發(fā)現(xiàn)鐵基催化劑CO2選擇性高、碳利用效率低等問題的本質(zhì)并非源自鐵基催化劑自身，而是催化劑還原碳化過程中生成了其他物相導致了副反應的發(fā)生?；诖它c發(fā)現(xiàn)，王鵬開創(chuàng)性地提出了以純相碳化鐵為催化劑活性相的原創(chuàng)思路，這樣既能夠利用鐵基催化劑價格低廉的優(yōu)點，又巧妙避開了副反應的困擾。
從科學原理到實踐應用，難以避免地要經(jīng)歷反復漫長的探索過程，也必然會面臨難以想象的風險與挑戰(zhàn)。對于純相碳化鐵，人類并沒有原理性地掌握，也無法科學描述其具體反應性能，如何讓它從想象變?yōu)楝F(xiàn)實?王鵬選擇了最困難也是最有效的“笨辦法”，他從構成鐵基催化劑的23種物相中歸納出128個最有代表性的配方，再經(jīng)過大量的試錯性實驗逐一排除干擾相。
課題研發(fā)初期人員嚴重不足，王鵬主動將科研任務挑于一身。他身兼多職，從最初的實驗構想到樣品制備，再到實驗數(shù)據(jù)的分析與驗證都親力親為。每次實驗要持續(xù)12個小時，經(jīng)常在實驗里忙到半夜，第二天一早又要對實驗數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析。從2015年5月到2017年5月，經(jīng)歷了兩年艱苦、漫長且枯燥的實驗過程，他從128個催化劑配方中篩選出二氧化碳選擇性低的5個配方，將二氧化碳產(chǎn)生降低至15%。但在進一步的歸納優(yōu)化中，王鵬發(fā)現(xiàn)，進一步降低已很難實現(xiàn)，項目無可避免地進入瓶頸期。尤為令人沮喪的是，在當時荷蘭一權威研究組發(fā)表的一篇理論文章中，預測ε-碳化鐵穩(wěn)定溫度為250攝氏度以下，遠低于催化劑實際應用溫度260-280攝氏度，這令團隊人員陷入了困惑和彷徨，難道兩年來的努力會是一場無用功?
不懈探索 開放合作
關鍵時刻，作為研發(fā)帶頭人的王鵬沒有動搖。他查閱分析了過往幾十年的大量文獻，發(fā)現(xiàn)在以往進行的實驗和研究中，都認為ε-碳化鐵含量越高，二氧化碳產(chǎn)生越低，這證明團隊的研究方向沒有問題，只要以“功成不必在我”的心態(tài)堅持探索，就一定會有收獲的一天。
2017年6月，就在王鵬帶領團隊成員苦苦探索之際，和團隊保持長期戰(zhàn)略合作的荷蘭高校教授發(fā)來郵件，告訴他一個好消息。在通過原位穆斯堡爾譜對王鵬送來的樣本進行分析時，發(fā)現(xiàn)了一種前所未見的特殊穆斯堡爾譜譜線，這極有可能是產(chǎn)生了疑似純相碳化鐵的新物相，這讓王鵬和團隊成員大為振奮。在隨后的實驗和論證中，王鵬發(fā)現(xiàn)之前那篇國外文獻在路線和判斷上沒有大錯誤，只是因為理論推導過程中溫度偏差了50度，ε-碳化鐵完全可在費托裝置中作為催化劑實際應用，王鵬親手開辟的道路沒有錯!
2018年6月，王鵬在位于法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射光源中心開展純相碳化鐵原位同步輻射測試實驗。為了獲取純相碳化鐵的配位結(jié)構演變信息，王鵬與國際合作實驗室團隊連續(xù)熬夜倒班10個晝夜，在實驗關鍵階段，王鵬持續(xù)堅守崗位，得到了寶貴的純相碳化鐵配位信息，為最終實現(xiàn)純相碳化鐵合成鋪平了道路。2018年10月，這項研究成果在《科學》子刊上發(fā)表，課題的研究自此步入快車道。
歐洲同步輻射中心的純相碳化鐵原位同步輻射測試實驗裝置
純相碳化鐵催化劑高度活潑，無法在空氣中穩(wěn)定存在，因此對其進行表征研究需要使用各種高級原位表征儀器，低碳院缺少原位穆斯堡爾譜、環(huán)境電鏡等必需的原位儀器，導致很多實驗無法進行。
面對這一困難，王鵬帶領團隊積極“走出去”，先后與北京大學、上海交通大學、北京科技大學、荷蘭埃因霍芬理工大學建立了合作關系。在與北京科技大學聯(lián)合測試樣品時，王鵬和團隊成員們仿佛釘在了科研現(xiàn)場，經(jīng)常在學校實驗室里一待就是15個小時，做完實驗后又迅速返回低碳院整理分析數(shù)據(jù)，以最快速度獲得真實準確的實驗結(jié)果。這種繁忙艱苦的研究，王鵬堅持了近一年，在一個個寂靜幽暗的深夜，他身著工裝、佩戴黨員徽章，在實驗設備前埋首苦干，完全不顧本就單薄的身體日漸消瘦。
功夫不負有心人，2019年6月，王鵬和團隊與北京科技大學合作使用環(huán)境電鏡，在世界上首次原位捕捉到“純相χ-碳化鐵”的生成全過程。經(jīng)歷了無數(shù)次嘗試與挫折，付出了數(shù)不盡的心血和汗水，一項重大科研創(chuàng)新，在國能人的孕育下已含苞待放。
實踐應用 深度創(chuàng)新
線性α-烯烴(linear α-olefins，簡稱LAO)作為是現(xiàn)代化學工業(yè)的核心原料和重要中間體，全球消費量逐年遞增，具有廣闊的市場，需求巨大。受制于傳統(tǒng)的乙烯齊聚合成技術，我國的線性α-烯烴需要依賴大量進口，嚴重限制了我國高端化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。王鵬和團隊提出的純相碳化鐵費托合成催化新理論，不僅推動了煤間接液化產(chǎn)業(yè)的低碳綠色發(fā)展，更是開辟了煤炭—合成氣—線性α-烯烴新路徑，實現(xiàn)線性α-烯烴成套技術的落地示范和商業(yè)化推廣，不僅生產(chǎn)成本低于以石油為原料的乙烯齊聚合成技術，而且產(chǎn)品更加多樣性，有力地推動我國煤化工產(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展。
王鵬查看試驗裝置運行情況
“當前，集團黨組深入推進‘1331’科技創(chuàng)新戰(zhàn)略，為我們科研人員搭建了干事創(chuàng)業(yè)的廣闊舞臺。我們要珍惜平臺、感恩奮進，大力弘揚新時代科學家精神，以‘十年磨一劍’的韌勁和‘一輩子辦成一件事’的執(zhí)著，持續(xù)深耕合成氣轉(zhuǎn)化直接制線性α-烯烴技術的工業(yè)化應用之路，為集團公司建設科技領軍企業(yè)不懈奮斗”，談起十年來的探索實踐，王鵬深有感觸地說到。成功提出純相碳化鐵費托合成催化新理論后，他帶領團隊對接集團煤化工產(chǎn)業(yè)應用場景，全力開展科研攻關，推動技術更新迭代和落地示范，為線性α-烯烴的大規(guī)模工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)鋪平了道路。截至目前，團隊基于“純相碳化鐵催化劑體系”，共申請發(fā)明專利101件，其中國際專利34項;出版英文專著2部，其中獨著1部;發(fā)表SCI收錄文章30余篇，取得了累累碩果。
2022年，由低碳院牽頭，聯(lián)合國家能源集團包頭煤化工、寧夏煤業(yè)，北京大學，中國科學院過程所等10家研發(fā)單位，成功申請了“十四五”國家重點研發(fā)計劃“低CO2選擇性合成氣直接轉(zhuǎn)化制長鏈α-烯烴成套技術”。該研發(fā)項目以低碳院原創(chuàng)“純相碳化鐵催化劑體系”為核心，采用高效漿態(tài)床反應器，與線性α-烯烴的高效分離與產(chǎn)物綜合利用技術相結(jié)合，形成合成氣直接制線性α-烯烴成套技術，計劃于2026年底在包頭煤化工完成萬噸級工業(yè)示范，2027年在集團乃至全國煤化工行業(yè)推廣應用，徹底改變我國在線性α-烯烴生產(chǎn)中受制于人的不利局面，支撐煤炭清潔高效利用，促進我國能源結(jié)構轉(zhuǎn)型升級。
王鵬所在的煤間接液化技術研究中心榮獲集團內(nèi)外部多項榮譽
從提出設想到規(guī)劃路線，從實驗論證到實踐應用，王鵬以“十年磨一劍”的堅韌和執(zhí)著，一步一個腳印，讓夢想照進現(xiàn)實，將一項源頭創(chuàng)新的科研成果轉(zhuǎn)化為引領行業(yè)發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力。成功的秘訣是什么?科研工作者要有怎樣的態(tài)度和精神?若是問起王鵬這個問題，他是如此解答的，“開展科研工作要遵循低碳院“五問”，那就是服務的國家戰(zhàn)略是什么，聚焦的核心技術是什么，對標的一流目標是什么，推廣的應用場景是什么，培育的新興產(chǎn)業(yè)是什么。既要尊重科學規(guī)律，也要敢于創(chuàng)新;要充分發(fā)揚求實精神，緊跟國家重大戰(zhàn)略、瞄準市場需要開展科技創(chuàng)新”。談起這些年走過的艱辛歷程，王鵬更是深有感觸，“成功不可能一蹴而就的，需要在長期的積累探索中實現(xiàn)突破。我們要有甘做奠基人、甘當探路者的覺悟，功成不必在我。”(蘆明生、岳媛)
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