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3月16日，由中國(guó)石化主辦的“功勛不朽、薪火永傳”弘揚(yáng)閔恩澤科學(xué)家精神學(xué)術(shù)論壇在京舉辦。200余位能源化工行業(yè)專家學(xué)者共聚一堂，深切緬懷閔恩澤院士，繼承和發(fā)揚(yáng)以閔恩澤院士為代表的科學(xué)家精神，深入探討了“雙碳”背景下能源化工行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展之路。本版整理刊發(fā)院士專家演講發(fā)言中的石化工業(yè)前沿技術(shù)，敬請(qǐng)關(guān)注。

本版文字由本報(bào)記者 程 強(qiáng) 整理

高排放石化工業(yè)過(guò)程的變革性創(chuàng)新

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石化總工程師謝在庫(kù)認(rèn)為，隨著能源深入轉(zhuǎn)型，化石能源需求逐漸達(dá)峰，石油等化石能源用途逐步從“燃料”向“原材料”轉(zhuǎn)變，高碳排放的石化工業(yè)過(guò)程需要?jiǎng)?chuàng)制重大變革性新過(guò)程。

例如，催化裂化的碳排放很高，它是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度在480~540攝氏度，而甲醇轉(zhuǎn)化是放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度在400~500攝氏度，將二者耦合，匹配最佳催化劑，這一新過(guò)程如果能夠?qū)崿F(xiàn)將是革命性的，可以大幅減少碳排放。

又如，甲烷是儲(chǔ)量豐富的重要能源，其利用方式通常是加水重整制成合成氣，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成各類化學(xué)品和燃料，但碳排放很高。顯然，能直接轉(zhuǎn)化甲烷當(dāng)然好，但甲烷分子碳?xì)滏I能很高，直接催化轉(zhuǎn)化通常需要高溫等苛刻條件。因此，在溫和條件下實(shí)現(xiàn)甲烷選擇活化和直接定向轉(zhuǎn)化，被看作是催化領(lǐng)域的“圣杯”，是最具挑戰(zhàn)性的化學(xué)研究方向之一。利用雙氧水和高效催化劑可以在溫和條件下實(shí)現(xiàn)甲烷直接氧化制甲醇，選擇性達(dá)到90%以上，可以大幅減排二氧化碳，這一變革性過(guò)程非常值得期待。

再如，二氧化碳甲烷重整制合成氣，是典型的放熱反應(yīng)，如果能夠加一部分氧，放熱和吸熱進(jìn)行耦合，不僅反應(yīng)溫度可以從800攝氏度降到600攝氏度，而且可以提高二氧化碳轉(zhuǎn)化效率，計(jì)算能效可提高23%。目前國(guó)內(nèi)外很多團(tuán)隊(duì)都在進(jìn)行這方面的探索，期待取得更大突破。

新能源領(lǐng)域，綠氫制取是當(dāng)前和未來(lái)的研究熱點(diǎn)?？稍偕茉措娊馑茪浞矫妫瑝A性電解水制氫技術(shù)成熟且已工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，但堿液具有腐蝕性，后期運(yùn)維復(fù)雜；質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)因貴金屬成本高，商業(yè)化水平低；陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)催化劑成本低，但穩(wěn)定性有待突破，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段；固體氧化物電解水制氫技術(shù)轉(zhuǎn)化效率高，但高溫限制材料選擇，目前尚未產(chǎn)業(yè)化。綠氫制取未來(lái)的方向是光電催化制氫，基于自然光合作用原理，實(shí)現(xiàn)高效催化分解，目前太陽(yáng)能-氫氣（STH）轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)4.3%。

儲(chǔ)氫方案有很多，其中一種是有機(jī)化合物儲(chǔ)氫。如甲醇的氫含量為12.5wt%（質(zhì)量百分含量），十氫萘為7.3wt%，環(huán)己烷為7.1wt%，氨氣為17.7wt%，氨基硼烷為19.6wt%。甲醇和氨都是重要的選擇，在這一過(guò)程中，良好的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)匹配、設(shè)計(jì)一種低反應(yīng)活化能的催化劑成為關(guān)鍵。

材料變革方面，新能源材料需求強(qiáng)勁。據(jù)預(yù)計(jì)，“十四五”期間，我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)將以年均19%的速度增長(zhǎng)，新能源行業(yè)高端石化材料需求規(guī)模近300萬(wàn)噸，涉及約50種產(chǎn)品，消費(fèi)量排名前十的產(chǎn)品增量空間均在10萬(wàn)噸以上，動(dòng)力電池材料是最大消費(fèi)領(lǐng)域，氫能材料消費(fèi)增速最快，“十四五”期間年均達(dá)70%以上，而我國(guó)新能源高端石化材料自給率僅60%~70%。

高端石化材料大量是高分子材料，要根據(jù)市場(chǎng)對(duì)材料性能的需求，基于結(jié)構(gòu)與性能的科學(xué)認(rèn)識(shí)，合理設(shè)計(jì)碳基結(jié)構(gòu)，綠色合成關(guān)鍵單體，通過(guò)可控聚合、良好加工，生產(chǎn)出滿足市場(chǎng)需要的高分子材料。這就涉及分子鏈結(jié)構(gòu)調(diào)控的問題，目前研究的熱點(diǎn)之一是茂金屬催化劑。比如生產(chǎn)聚烯烴彈性體（POE）、超高分子量聚乙烯（UHMEPE）等，茂金屬催化劑的研制都是重點(diǎn)難點(diǎn)。

分離工業(yè)的碳排放也很高，需要研究先進(jìn)的節(jié)能分離材料。如膜分離的關(guān)鍵科學(xué)問題是通量與選擇性相互限制，難以同時(shí)提高，而金屬-有機(jī)骨架材料（MOF）具有比表面積高、孔徑可調(diào)性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是極具潛力的新型吸附與膜分離材料。

智能變革方面，新材料自主發(fā)現(xiàn)合成系統(tǒng)（無(wú)人實(shí)驗(yàn)室）是一個(gè)重要方向。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與谷歌DeepMind團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)自主實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)A-Lab，由人工智能指導(dǎo)機(jī)器人制造新材料，在17天里連續(xù)開展355次實(shí)驗(yàn)，合成了58個(gè)目標(biāo)化合物中的41個(gè)，成功率達(dá)到71%，遠(yuǎn)高于人工實(shí)驗(yàn)的成功率。中國(guó)石化通過(guò)理論計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)與大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)了新結(jié)構(gòu)分子篩，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)零的突破。此外，將機(jī)器學(xué)習(xí)與高通量技術(shù)耦合，可以發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的催化劑描述符建立方法。工業(yè)化與信息化深度融合建立石化智能工廠，可以實(shí)現(xiàn)從人全盤控制到人不在現(xiàn)場(chǎng)的完全自主運(yùn)行。

單原子催化“少花錢干大事”

人類活動(dòng)中大約90%的化學(xué)品生產(chǎn)過(guò)程與催化有關(guān)。催化過(guò)程是吸附-反應(yīng)-脫附過(guò)程，也就是說(shuō)，催化劑要先把反應(yīng)物“吸引”到表面進(jìn)行反應(yīng)，然后把得到的反應(yīng)物“拋棄”。

所以，為了“少花錢干大事”，有必要在保持催化劑總量不變的前提下增加催化劑表面積，這就需要將催化劑“切割”到微米甚至納米級(jí)，“切割”到極限，催化材料就以單個(gè)原子的形式分散于另一種材料上。

單原子催化劑，就是將單個(gè)金屬原子錨定在載體上的材料，單原子只和載體相互作用，金屬原子之間沒有鍵。由于擁有最大限度的原子利用率，單原子催化劑在多相催化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

自中國(guó)科學(xué)院院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士、加拿大工程院國(guó)際院士張濤院士團(tuán)隊(duì)于2011年設(shè)計(jì)制備了第一個(gè)單原子催化劑并提出了“單原子催化”概念后，成為全球研究的熱點(diǎn)。

到目前為止，元素周期表里超過(guò)50%的元素都有單原子催化劑的報(bào)道，從貴金屬到過(guò)渡金屬，再到主族金屬、非主族金屬、非金屬、稀土等。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，單原子催化在30個(gè)以上的反應(yīng)里顯示出優(yōu)越的活性和選擇性。不僅化學(xué)領(lǐng)域，材料、物理甚至生命科學(xué)領(lǐng)域也借用單原子催化的概念。

單原子催化比較難的反應(yīng)有甲烷的轉(zhuǎn)化、水的轉(zhuǎn)化、二氧化碳的轉(zhuǎn)化和氮的轉(zhuǎn)化等，特別是二氧化碳的轉(zhuǎn)化是近期研究的熱點(diǎn)，有熱、電、光等不同的轉(zhuǎn)化方法。

在二氧化碳熱催化中，包括釕、銠、鉑、銅、鎳、鈷等元素有獨(dú)特的活性和選擇性，如銅的單原子催化劑比納米催化劑活性更強(qiáng)，銠則對(duì)碳碳偶聯(lián)反應(yīng)非常有效。目前，單原子催化在高溫嚴(yán)苛條件下的轉(zhuǎn)化率特別是穩(wěn)定性仍然是較大挑戰(zhàn)。

在二氧化碳電催化中，金屬單原子催化劑有錳、鐵、鈷、鎳等不同體系。一氧化碳可以作為主要產(chǎn)物，一些金屬特別是銅對(duì)于碳碳偶聯(lián)生成碳2以上化合物非常有效。近期，兩個(gè)單原子催化劑合起來(lái)的雙原子催化劑在一些特定的二氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)里表現(xiàn)較好。

在二氧化碳光催化中，單原子催化可以優(yōu)化電子能帶，促進(jìn)二氧化碳活化，精確調(diào)控二氧化碳轉(zhuǎn)化中間物的吸附，從而獲得較好的選擇性。單原子催化劑還可以和其他元素組成多功能的催化劑，對(duì)催化的反應(yīng)性和轉(zhuǎn)化率進(jìn)行調(diào)控。

二氧化碳轉(zhuǎn)化最大的挑戰(zhàn)就是如何設(shè)計(jì)好的催化劑，能夠在低溫下、在高的化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率條件下獲得高的二氧化碳反應(yīng)性。二氧化碳轉(zhuǎn)化的另一挑戰(zhàn)是如何獲得比較好的選擇性，二氧化碳轉(zhuǎn)化到碳1，生成一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸比較容易；到了碳碳偶聯(lián)，通過(guò)深度加氫生成乙烯、乙烷，這個(gè)反應(yīng)就難一些；更進(jìn)一步，可以通過(guò)碳碳偶聯(lián)、部分加氫，生成高附加值的含氧化合物，如乙醇。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)控催化劑，可以獲得不同的反應(yīng)產(chǎn)物。

單原子催化劑可以融合酶催化和均相催化，實(shí)現(xiàn)單原子催化在不同反應(yīng)里的調(diào)控，繼而實(shí)現(xiàn)碳碳偶聯(lián)。在二氧化碳加氫生成水和一氧化碳的反應(yīng)中，過(guò)去納米催化時(shí)，認(rèn)為反應(yīng)在金屬和界面發(fā)生，而利用單原子催化，明顯的界面沒有了，其實(shí)是無(wú)限的界面，每一個(gè)單原子和載體接觸非常充分，非常有利于二氧化碳活化。

利用單原子催化劑和特殊載體的相互協(xié)同，可以實(shí)現(xiàn)碳碳偶聯(lián)。第一步通過(guò)載體活化二氧化碳，生成碳1化合物；第二步，利用單原子活性位實(shí)現(xiàn)碳碳偶聯(lián)。

近期也有單原子催化和納米催化協(xié)同反應(yīng)的案例，對(duì)二氧化碳活化非常有效。二氧化碳在電催化條件下，通過(guò)單原子催化劑和納米催化劑協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)生成高選擇性乙醇的反應(yīng)結(jié)果。

單原子催化經(jīng)過(guò)10多年發(fā)展，帶來(lái)很多機(jī)會(huì)，也面臨很多挑戰(zhàn)，如單原子催化劑的可控制備、表征方法、在高溫下保持較好的催化活性和轉(zhuǎn)化率等。

張濤說(shuō)，單原子催化使得催化研究進(jìn)入原子尺度，還使得傳統(tǒng)催化的分散度、表界面等概念部分失效。其描述符是它的微環(huán)境及化學(xué)狀態(tài)，單原子配位環(huán)境決定了單原子的活性、穩(wěn)定性和選擇性，這是今后研究的重點(diǎn)。

人類社會(huì)迎來(lái)原子制造時(shí)代

中國(guó)工程院院士，中國(guó)工程院黨組成員、秘書長(zhǎng)陳建峰說(shuō)，在現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)中，化學(xué)工業(yè)是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的支柱，面臨綠色發(fā)展的挑戰(zhàn)，同時(shí)還要解決“卡脖子”問題，為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)不斷提供新的物質(zhì)、新的能源、新的材料。

人類社會(huì)將進(jìn)入原子制造時(shí)代。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局于2015年底啟動(dòng)“原子到產(chǎn)品”項(xiàng)目，目標(biāo)是解決納米材料制造的工程放大問題。

原子排序不同就有不同功能，碳原子多層排序就是石墨，剝離成一層就是石墨烯，把一層卷起來(lái)就是碳納米管，按足球形狀排序就是碳60，按六方體排序就是金剛石，石墨很軟可以用來(lái)做鉛筆芯，而金剛石硬到可以切割鋼鐵。工廠如何控制原子的排序，正是需要努力的方向。目前高分子材料的“卡脖子”難題就是高分子鏈的排序組合等，不同的結(jié)構(gòu)決定了不同的功能。

分子化學(xué)工程是從原子/分子到工廠產(chǎn)品的過(guò)程。目前，對(duì)工業(yè)容器尺度的化學(xué)過(guò)程科學(xué)認(rèn)識(shí)較為清楚，而對(duì)微納尺度到分子尺度下的化學(xué)過(guò)程，包括流動(dòng)混合、界面?zhèn)鬟f、反應(yīng)/分離等認(rèn)識(shí)都不是很清晰，這個(gè)問題不解決，將阻礙化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。

未來(lái)的化學(xué)工業(yè)，將是原子、分子智能組合，形成智能的反應(yīng)與分離系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)原子、分子尺度物質(zhì)的精準(zhǔn)控制。

分子化學(xué)工程學(xué)，就是在工業(yè)容器尺度（反應(yīng)器/分離器）上，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子/分子尺度的化學(xué)轉(zhuǎn)化和物理分離精準(zhǔn)可控的過(guò)程科學(xué)與技術(shù)。它是從分子到工廠的橋梁，可以設(shè)計(jì)數(shù)字孿生工廠，理想目標(biāo)是過(guò)程可以無(wú)級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色制造。

這個(gè)方向已經(jīng)成為可能。國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以對(duì)催化反應(yīng)中的原子、分子進(jìn)行靜態(tài)觀察。我國(guó)科學(xué)家構(gòu)建納米芯片反應(yīng)器和世界領(lǐng)先的原位電化學(xué)顯微系統(tǒng)，首次從原子分子尺度認(rèn)知和解析電化學(xué)界面反應(yīng)過(guò)程，由此發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)新機(jī)制，入選2023年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展。

還可以借助人工智能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全自動(dòng)操作的原子/分子制造。麻省理工學(xué)院就由人工智能軟件提出合成分子的途徑，再由化學(xué)家審查這條路線并將其細(xì)化為化學(xué)“配方”，最后將配方發(fā)送到機(jī)器人平臺(tái)，自動(dòng)組裝硬件并執(zhí)行反應(yīng)構(gòu)建分子。

化學(xué)工程經(jīng)過(guò)百余年發(fā)展，已經(jīng)從宏觀的“三轉(zhuǎn)一反”（動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學(xué)反應(yīng)）發(fā)展到現(xiàn)在的微納尺度，今后將邁向分子尺度、原子尺度，分子化學(xué)工程時(shí)代即將到來(lái)，但要解決一些重大問題：分子層面的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與智慧反應(yīng)調(diào)控，微納層面的納米傳輸、反應(yīng)/分離、分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系論，裝備層面的工程放大，工廠層面實(shí)現(xiàn)分子智造的數(shù)字化設(shè)計(jì)與優(yōu)化控制。

化學(xué)工業(yè)的主要問題是工程放大，往往出現(xiàn)選擇性下降、轉(zhuǎn)化率下降的問題，其核心是在分子尺度的傳遞混合沒有做好，難題是如何在毫秒~秒量級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)分子級(jí)的混合均勻。陳建峰團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)在超重力環(huán)境下微納尺度混合可以被強(qiáng)化2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此研發(fā)了超重力裝備，在工廠中應(yīng)用，體積是常規(guī)填料塔的1/10，效率可以提高千倍。

超高純電子化學(xué)品是集成電路制造中用量最大的原材料之一，是大國(guó)貿(mào)易的“撒手锏”，但“卡脖子”問題突出，其最大難題就是雜質(zhì)離子含量須從ppm（百萬(wàn)分之一）級(jí)降至ppt（萬(wàn)億分之一）級(jí)。超重力氧化反應(yīng)分離器耦合強(qiáng)化技術(shù)解決了這一問題，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，產(chǎn)品出口至美、日、韓等國(guó)。

超重力技術(shù)用于亞硝酰硫酸生產(chǎn)，將3條生產(chǎn)線12臺(tái)反應(yīng)器變成1條生產(chǎn)線1臺(tái)反應(yīng)器，體積縮小90%以上，能耗節(jié)省45%，二氧化碳排放降低75%，人員減少近一半，占地面積減少一半，本質(zhì)安全水平顯著提升。

超重力技術(shù)用于二氧化碳捕集，使捕集能耗降至2.1吉焦/噸二氧化碳以內(nèi)，同時(shí)將二氧化碳用于新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)，平均提高農(nóng)作物產(chǎn)量20%~40%，還可改良鹽堿地、沙地，實(shí)現(xiàn)負(fù)碳綠色、鹽堿地改良、作物增產(chǎn)的多贏。

超重力法生產(chǎn)納米農(nóng)藥，能夠減少原料使用量50%，減少農(nóng)藥用量50%。

超重力法制備液冷化學(xué)品，革新了數(shù)據(jù)中心散熱傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)，使傳熱效率提高6倍、算力提高4倍。