我1983年到中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱大連化物所)讀研究生,先后師從呂永安老師攻讀碩士學位和郭夑賢老師攻讀博士學位,其間獲聯合國教科文組織獎學金,并在日本東京工業大學(導師為大西孝治教授)完成博士論文研究,1988年回國,1989年畢業留所工作。1993年我赴美國西北大學進行博士后研究,歷三年,又返所,工作至今,凡三十六年。1999年紀念研究所50周年之際,曾撰文《情系大連化物所》,轉眼間二十年過去,在此采擷最近二十余年在研究所工作點滴,作為建所七十周年紀念。
攻堅克難,研制紫外拉曼光譜技術
1996年8月,我攜全家辭別美國西北大學回到大連化物所,一轉眼二十三年過去了。在西北大學心無旁騖、埋首研究的三年時光,對我后來研究風格的形成影響很大。
回國后,我回所開展的第一個研究課題是啟動我國紫外拉曼光譜催化表征研究。那個年代尚沒有對回國年輕人的特殊資助,雖然回國當年我獲得了國家自然科學基金委員會杰出青年基金資助,但遠不足以購買研發工作必要的儀器部件。原中國科學院基礎局局長錢文藻得知這個情況后,表示基礎局特批資助100萬元,并建議研究所也匹配100萬元。時任所長楊柏齡非常重視這項工作,要求從國家重點實驗室的設備更新費中撥出??钣枰再Y助,經過一番努力,經費勉強有了著落。
剛回國時我沒有研究生,組里辛勤老師,所里林勵吾、李文釗、楊亞書諸位老師讓我協助指導學生,此外,我還協助所外的閔恩澤先生、李大東先生指導學生,這使我的研究工作很快開展起來。經過兩年多的苦戰,我們逐一攻破了紫外拉曼光譜技術研制中的難題,終于在1998年底成功獲得積碳分子篩催化劑的紫外拉曼光譜,標志著我國第一臺紫外拉曼光譜儀研制成功。由于具有創新性且對催化材料表征有重要意義,相關工作受到了國內外好評,C&EN News將其評述為繼STM、SFG之后研究表面催化的三項重大進展之一,并獲得了中國科學院發明獎和國家科技發明獎二等獎。
后來,紫外拉曼光譜研究從催化研究拓展到材料表征等更廣泛領域,國際上大部分光譜表征實驗室配備了紫外和中紫外拉曼光譜儀。近年來,紫外拉曼光譜技術又成功應用于我國深海探測,在紫外拉曼光譜技術研發基礎上,我們又先后成功研制了國際上第一臺深紫外拉曼光譜儀和第一臺短波長手性拉曼光譜儀。
汽柴油脫硫,助力藍天保衛戰
2000年之前,在進行紫外拉曼光譜催化研究的同時,我們又布設了兩個重要的研究方向:多相手性催化合成和燃料油超深度脫硫。
我們試圖通過固相手性催化劑的創新走出一條不同于均相不對稱合成的路子。這個工作首先從Sharpless手性環氧化催化的多相化開始,后來與研究員楊啟華合作,先后確認了微納米空間中手性催化反應的限閾效應,發現了活性中心耦合加速效應以及酶催化的穩定化效應等,在國內外均相—多相手性催化學術界產生較大影響,研究成果獲遼寧省自然科學獎一等獎。這方面的研究形成了催化基礎國家重點實驗室的一個重要學術方向,至今仍在進行之中。
上世紀90年代,我在歐洲、美國訪問時就了解到西方國家十分重視汽柴油的清潔化問題。當時,我預見到隨著我國家用汽車數量迅速增加,大氣污染問題將會愈加嚴重。于是在1997年,我開始進行超深度脫硫的基礎研究,發展了乳液催化脫硫,將柴油中幾百ppm硫含量降低到0.1ppm以下,這是截至目前報道的最好結果,與中石化撫順石化院合作進行放大試驗取得了與實驗室小試結果相近的結果,可將柴油中含硫化合物完全脫除,遠優于國內外清潔油品硫含量標準要求。一時間,乳液催化受到學術界和工業界高度關注。
經過十多年的努力,油品超深度脫硫的應用基礎研究成果形成了汽油和柴油脫硫兩項工業化技術,并得到推廣應用。例如,汽油催化反應吸附脫硫技術,可將FCC加氫汽油中的硫含量從100ppm左右降低到低于10ppm水平,達到國五標準。該技術在陜西延長萬噸級工業化示范后,在山東等地的企業中推廣,為助力藍天保衛戰作出了貢獻。
砥礪前行,直面太陽能光催化分解水難題
世紀之交的2000年,國際氣候組織呼吁全世界關注地球家園的生態問題。這隱隱喚起我作為科技工作者的良心和責任:不僅僅滿足于自己的科學興趣,更要關注當下的生態環境問題,思考更久遠的未來人類生存問題。
1999~2000年,我先后利用在英國利物浦大學做短期訪問教授和在日本做JSPS Professor項目的機會,帶著這些思考對歐洲和日本進行了學術考察,之后做出了科研生涯中一個最大的決定:將正在進行的傳統催化研究的重心轉向以太陽能為代表的可再生能源的研究,啟動太陽能光催化分解水制氫和二氧化碳還原研究。
盡管國內外許多科學家曾做過大量探索性研究,但對于光催化分解水的關鍵科學問題并不十分清楚。研究初期,我們把主要精力集中在甄別決定光催化系統的最關鍵因素上,經過三四年的探索,基本上搞清楚了光催化體系性能的三個瓶頸:捕光、光生電荷分離和表面催化,且后二項互為卷積關系。隨后,我們分別在高效捕光材料、光生電荷分離機制和高效助催化劑三大方面部署了研究課題。為了在這幾個方面形成合力,我建議在潔凈能源國家實驗室(籌)成立太陽能研究組群,鼓勵年輕學者集中攻克這些關鍵科學問題。2008年左右,我們相繼在寬光譜捕光材料、電荷分離機制和雙助催化劑方面取得進展,國際光催化領域開始關注我們的研究。
在光催化基礎研究方面,我們在十余年的探索中先后取得這個領域的多項標志性成果:合成了含氮含硫復合物半導體捕光材料,捕光范圍拓展到600nm;提出雙助催化劑策略,光催化質子還原制氫反應量子效率達到93%;發展了異相法電荷分離理論,發現了晶面間電荷分離效應,首先研發了光催化劑表面光生電荷成像表征技術,直接觀察到光催化劑表面光生電荷的分布。這些基礎研究的進展引起國際學術界重視,并為推動國際太陽能研究發揮了一定作用。
在光催化、光電催化分解水制氫取得重要進展的基礎上,受自然光合作用光反應和暗反應耦合機理啟發,我們采用可再生能源分解水制氫,繼而二氧化碳加氫制甲醇的太陽能燃料合成路線,研制出高活性、高穩定性的廉價電解水制氫催化劑和二氧化碳加氫高選擇性制甲醇固溶體催化劑,并完成了實驗室小試和中試,目前正在進行工業放大試驗,為太陽能燃料規?;铣商铰?。
感恩時代,為祖國科研傾心奉獻
自1983年到大連化物所學習、工作,不知不覺已經過了36年。在大連化物所,我度過了人生最好的青春年華,感慨萬千?;謴透呖几淖兞宋业囊簧?,讓我一個西北偏遠農村的農家孩子有了學習深造的機會;感恩大連化物所導師們的悉心培養,使我走上科學研究之路;感恩改革開放,使我在科學研究中能夠發揮作用,有幸參與了中國科學的快速發展;感謝與我共同奮斗的同事們,特別懷念我的兩位英年早逝的助手——任通博士和蔣宗軒研究員,還要特別感謝我的歷屆研究生和博士后,與他們共同的努力,使我的科研道路充滿信心和希望。
祝愿研究所的明天更加輝煌,為國家乃至人類社會的永續發展作出更大貢獻!
作者簡介:
李燦,1960年1月生于甘肅省金昌市,中國科學院院士、發展中國家科學院院士、歐洲人文和自然科學院外籍院士?,F任中國科學院大連化學物理研究所太陽能研究部部長。