【半月谈】扎根西部，他们甘做产业“催化剂”
半月谈记者 张文静
催化学科是化学科学的关键分支，被誉为人类物质文明的创造者。若缺乏催化手段，人类将无法成功制造出所需的各类衣食住行材料。
中国科学院兰州化学物理研究所（以下称“兰州化物所”）羰基合成与选择氧化国家重点实验室自成立以来，扎根我国西部，甘做“催化剂”“中间体”，在人工合成橡胶新技术等领域取得令人瞩目的科研成果。在国家“双碳”战略背景下，兰州化物所调整学科研究方向，聚焦二氧化碳减排与利用，着力推动自主创新，为二氧化碳利用研究贡献战略力量。
实验室主任石峰（左）在指导团队成员进行实验
打破垄断，一流催化成果服务工业发展
数据显示，化学工业是国民经济的支柱产业之一。在化学工业中，大约90%的过程需要用到催化剂。
“人们日常吃穿用都离不开化学化工与催化，像煤炭、石油等资源，都需要催化转化，才能成为可供生产所用的基础材料。”羰基合成与选择氧化国家重点实验室主任石峰说，作物健康生长需要氮肥，生产氮肥则需要氨气。科学家发明催化剂，将氮气和氢气转化为氨气，进而合成氮肥。氮肥的人工合成保障了粮食安全。
制备各种合成材料的关键反应也离不开催化过程，其中最重要的两个手段就是羰基合成和选择氧化。“很多高档服装都用到聚酯纤维，聚酯纤维生产涉及乙二醇和对苯二甲酸两个关键原料。二者分别通过羰基合成和选择氧化反应得到。”石峰说。
早在20世纪60年代，兰州化物所就紧盯国家发展和国民经济需要，聚焦催化学科，甘做“催化剂”。彼时，我国不管是航空航天事业发展还是路网建设，均需要大量橡胶轮胎和多种橡胶制品。
橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类，当时我国没有种植橡胶树，只能依赖进口。可是，主要橡胶生产国对我国实行经济封锁，几十吨大米换不来一吨橡胶。在这种情况下，兰州化物所研究人员积极对接国家战略需求，自主创新，发展人工合成橡胶工业，以获得奇缺的战略物资。
兰州化物所研究员丑凌军介绍，要发展人工合成橡胶工业，必须通过催化，合成关键单体原料丁二烯。从20世纪60年代至80年代，在几代科学家的接续奋斗下，兰州化物所成功突破顺丁橡胶关键单体丁二烯合成的关键技术，打破国外技术封锁和垄断，为利用新型工艺大规模生产橡胶奠定理论基础与技术基础。
紧盯前沿，助力关键催化剂研发
2019年，第四届联合国环境大会发布《全球化学品展望ii》报告显示，全球化学品的生产能力为23亿吨，经羰基合成的化学品大约占20%。
兰州化物所研究员夏春谷表示，羰基合成在化学化工领域非常重要，基于这一反应过程，可以衍生出一系列高附加值产品，因此在工业上得到广泛应用。1989年，研究所启动建设羰基合成与选择氧化国家重点实验室，聚焦“卡脖子”领域，解决国民经济发展所需，成为国内最早开展羰基合成的研究单位之一。
塑料加工离不开增塑剂，增塑剂可以帮助塑料产品成型、改善性能。过去，我国使用的增塑剂耐油、耐水性能等较差。同一时期，欧美发达国家已使用绿色增塑剂“邻苯二甲酸二异壬酯”。制造这一增塑剂，需要关键中间体异壬醇，而异壬醇的生产长期被国际公司垄断。
为发展属于自己的绿色增塑剂，兰州化物所与中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院联合开发了“碳八烯烃氢甲酰化制备异壬醇”技术，形成每年5万吨的成套技术设计，于2020年11月通过中国化工学会组织的成果评价。专家组认为，该技术达到国际先进水平，填补了国内异壬醇技术的空白。
实验室研究人员正在开展分析测试研究
创新技术路线，支撑国家“双碳”战略
在国家“双碳”战略背景下，高效利用二氧化碳，对“碳减排”和“碳增汇”意义重大。如何将二氧化碳直接转化为高附加值的化学品？羰基合成与选择氧化国家重点实验室紧密围绕二氧化碳利用的学科前沿，致力于构建二氧化碳和低碳资源利用的创新研究体系，发展新理论和新技术。
夏春谷介绍，作为一种性能优良的有机溶剂，碳酸乙烯酯广泛应用于合成材料中间体制备、锂离子电池电解质、精细化工生产等领域。二氧化碳经过催化反应，就可以转化为碳酸乙烯酯。2023年，实验室与江苏鸣川新材料有限公司合作实施了年产10万吨的产业应用并成功获得高品质产品，开拓出一条推动二氧化碳资源化利用的新路径。
“提纯二氧化碳，能耗和成本高，运输和储存难。我们将烟道气中的二氧化碳原位捕集和转化，实现环状碳酸酯高效合成，为工业废气中二氧化碳的原位转化利用提供了可靠技术手段。”石峰表示，目前，正和相关企业推进产业化应用。
我国能源结构总体呈现贫油多煤局面，发展煤化工产业是我国实现资源能源安全保障的必由之路。目前我国形成以煤炭为原料的全新乙醇产业，如何基于煤基乙醇构建煤基化工产业链，成为摆在催化工作者面前的重要任务。
2023年，中国科学院批准羰基合成与选择氧化国家重点实验室重组建设低碳催化与二氧化碳利用重点实验室，实验室优化人才配备，调整科研方向，最终成功突破煤基乙醇催化脱氢制备乙醛的工艺技术路线，使煤基乙醇向新材料、精细化工、生命科学等高端产业链延伸，实现高附加值利用。
实验室研究员崔新江告诉半月谈记者，传统乙醇氧化法制乙醛会产生污染，新研发的技术路线可以让煤基乙醇直接无氧脱氢制成乙醛，既简化工艺过程，又实现无三废排放。编辑：徐宁
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