编者按:

科技改变世界,创新成就梦想。随着国家创新驱动发展战略持续深入实施,社会各界对创新创业不但表现出了巨大热情,而且立足于自身具体的条件和基础展开了丰富多彩的实践和行动,涌现出越来越多的优秀科创人物和科创型企业。

郑州大学国家大学科技园作为国家创新体系的一部分,作为郑州大学、郑州市乃至河南省深入践行国家创新驱动发展战略的重要平台和载体之一,自成立以来,不但吸引了越来越多的创新创业团队入驻,而且致力于通过科创平台的建设和科创资源的配置,为包括郑大师生在内的更多的科研工作者、技术人员以及科创型企业提供更加便捷的创新创业服务和支撑。

“大庆之年献厚礼,开局之年谋新篇”。今年是中国共产党建党100周年,也是我国全面建设社会主义现代化国家新征程的开启之年,还是中国“十四五”规划的开局之年。身处这个时点关键、意义重大的特殊年份和时代节点,为了能够以更加饱满的热情拥抱中国科创新时代,并以实际行动献礼中国共产党百年华诞,郑大科技园立足园区当下自身发展现实和未来跨越式发展愿景,在郑州大学有关部门和领导的指导与支持下,特发起主办“郑大科创之星”项目,站在时代和家国的立场,以未来和美好的名义,发现那些前沿而又隐秘的创新创业项目,致敬那些勇敢而又优雅的创新创业人物。

项目组将通过专题调研、系列文章、科创沙龙、科创报告、颁奖盛典等形式,对包括郑大科技园入驻企业和团队在内的优秀科创企业和个人进行宣传推介,以充分体现郑大科技园和郑州大学对国家战略的责任担当、对创新创业者的尊重,并通过对与大学科技园高质量发展有关的命题进行深度的探讨,进一步落实和彰显郑大科技园在践行国家创新驱动发展战略和服务郑州大学新科创体系构建过程中所能扮演的独特角色和所能贡献的独特价值。

此为“郑大科创之星”栏目系列文章的第六篇。

 文丨冯嘉(郑州大学科技园发展规划部助理研究员)

2014年,刘寿长教授从郑州大学正式退休,但跟郑大许多已退休的老教授一样,他仍然会时不时来到实验室指导学生。由于是即时约访,我们赶到位于郑州大学新校区内的物理实验化学实验楼时已经比约定时间晚了十分钟,刘教授正独自一人坐在桌前等候。交谈过程中,他平和、儒雅,甚至显得腼腆,在谈及自己的贡献时也只用三言两语叙述。当我们询问他目前是否繁忙时,他回答说,“我就是个退休教师,时间多得很。”

刘寿长退休前是郑州大学化学学院(原化学系)教授,博士生导师。他一生致力于苯制环己烯的研究开发工作。该项研究于2010年实现工业化,成功打破国外技术垄断,使我国成为世界上第二个实现该项技术工业化并拥有完全自主知识产权的国家,迄今已在全国推广应用,整体技术居于国际领先水平。

1、坚守催化事业40年初心不改 

1978年是新中国历史上一个重要转折点。这一年,全国高考的恢复改变了一代人的命运,刘寿长就是在这一年参加了高考并成功被原郑州大学化学系录取。参加高考前,他还担任过高中的语文老师和化学老师。

报考大学对这位高中教师而言并不是一个简单的决定。但相对丰富的知识与阅历让他对大学和化学学科的价值有清晰的理解,“化学可以变废为宝,跟人民生活密切相关。”事实上,他后来所从事的催化化学研究确实没有脱离过老百姓的生活。

1982年本科毕业后,刘寿长师从时任郑州大学化学系系主任王文祥教授攻读物理化学硕士学位,在导师的指导下开始学习催化化学(主要是研究“各种新兴催化技术在绿色化学、生物医药等领域的应用”,催化作用是指通过加入催化剂而改变化学反应速率的一种现象,80 % 以上的化工过程都与催化作用有关),在此后长达40年的时间里,“催化”成为其一直坚持的研究方向和追求的事业。

20世纪90年代,中国正处于改革开放后的高速发展期,民生领域的制造实力与需求都在急速提升,对尼龙材料的需求量也大幅度增长。其中,“尼龙6是尼龙材料中应用量最大、应用范围最广的产品之一”,可广泛用于纺织业、汽车业、电子制造业等,与国计民生息息相关。但“尼龙6”的绿色合成技术需要环己烯,而环己烯的制备则需要特定的催化剂。这种催化剂的制备技术在当时被日本旭化成公司垄断。1995年和2005年,旭化成曾先后两次将生产技术转让给我国并收取高达数十亿人民币的“技术转让费”,还定量供应催化剂,从而严重制约了我国纺织业等制造业的发展。

1997年博士毕业后,刘寿长所在的科研团队决意突破这一“卡脖子”难题,自主研发加氢催化剂,他们所选择突破的技术难关被称为“苯选择加氢制环己烯催化技术”。

环己烯是合成环己酮、己内酰胺、己二酸、尼龙6、尼龙66(尼龙66与尼龙6分子结构相似、性能相似,但尼龙66的耐热性与韧性高于尼龙6)的重要化工原料。苯选择加氢,又称苯部分加氢或苯不完全加氢。简单地说,这一过程是“以石化或煤化企业丰富的苯为原料,在催化剂作用下借助于催化工艺、关键设备和成套装置,选择性加氢生产环己烯及其下游产品。”但实际上,这一过程并不容易。环己烯是苯加氢生成环己烷过程中的中间产物,苯分子极易对称活化,全部加氢生成环己烷,而很难将反应停留在中间产物环己烯阶段,所以,苯部分加氢制环己烯,是加氢领域世界性的难题。

做化学实验需要足够的耐心。苯制环己烯,反应温度、反应压力、催化剂浓度、进料比等因素都会影响到环己烯选择性的高低。而最佳的生产条件,只能由接连不断的实验和不停耗费的时间来做出判断。“得踏踏实实去做,才能有突破”,刘寿长说。

功夫不负有心人。2009年,刘寿长教授所带领的科研团队与企业联合实现了苯制环己烯催化剂制备技术国产化。2010年,实现了苯制环己烯整体技术的工业化。我国自此成为世界上第二个实现苯选择加氢制环己烯技术工业化并拥有完全自主知识产权的国家,实现尼龙材料年产量百万吨。这直接影响了旭化成最终退出中国市场,尼龙材料的成本大幅度降低。

2、做科研不能怨天尤人  

苯加氢路线制环己酮、己二酸的技术是催化化学中的常用技术。传统的苯完全加氢路线有自由基反应,存在安全隐患,会出现复杂的副产物,转化率低且耗能量大。苯选择加氢制环己烯路线生产的副产物则是可被利用的环己烷,生产过程更加安全,碳原子利用率可达到100%且废弃物排放近乎为0,具有高原子经济性和环境友好的特点,在应对严峻的环境问题上有广阔的发展前景。

1980年,瑞典化学家已提出分步加氢机制,1989年,日本实现苯选择加氢催化技术工业化。此后,在国际上,苯选择加氢的理论一直在不断进步与完善,但国内始终未能突破这一难题。这主要是由于苯选择加氢路线需要高选择性的催化剂、加氢反应器且催化剂制备难度高,一般的实验室并不具备制备条件,因此在国内算是一个罕有人迹的领域。

从科学进步的角度来看,攻入“无人之境”可以说是每一个科研工作者的使命。有些课题和领域并不是看不见攻克的希望,而是很难去评估它所需要的等待时间和成本,同时,这也是一场竞赛,谁能更快取得成果,谁就能更快站进一流的行列,但相对应的,也有长期努力尽付东流的可能性。苯选择加氢路线并不是当时国内合成尼龙材料的唯一选择,也有不少课题组选择了条件放宽、收益更快的课题。

刘教授并没有太多提及实验过程中所遇到过的困境。对于他乃至课题组的其他人而言,漫长的实验过程不过是曾经日常生活中的一部分。他也并不认为实验条件的好坏是能否出成果的决定性要素。他回忆刚开始进入郑州大学开启这个课题的情形,“没什么好的条件、好的仪器,没有自己的实验室,最多一个老师有一个办公室。那就坚持做,做科研、做化学实验就是靠人做。老师们都是两点一线,一心搞科研,持之以恒,拿数据说话。”

技术实现关键进展以后,刘寿长总结成功的原因将之归为学校、政府的支持以及老师们“不破楼兰终不还”的精神。在与我们的交谈中,他始终强调自己只是一个普通的教师,更乐意提及郑大化学系良好的科研氛围和学校对科研的理解与支持。他说,“我对郑大的感情很深,现在实验室的条件比以前好太多了,郑大一直都在进步。从内心说,我们中的大部分人就是为了给国家做贡献的,我们的技术是领先的,是大家看得见的,是实实在在的。做科研,就不要怨天尤人,资源不够并不是放弃的理由。”

在培养学生上,刘寿长教授也是如此。郑州大学化学系是原郑州大学建校伊始设立的三个系之一,现已进入esi世界前1‰,其所培养的本科生大多数都经推免或联考进入到其他重点高校继续攻读硕士或博士学位,留在郑大的学生属于少数,而从省内其他高校考入郑大攻读研究生的学生有的还存在基础薄弱的问题。但作为高校教师,刘寿长老先生并不认为这会给学生的培养带来困难,“能考入我们专业的学生都是出类拔萃的。他们来了,我们作为老师,就要把他们当成自己的孩子。做老师得有这样的心理,要帮助他们顺利毕业,给他们推荐好的工作。”

遇见什么问题就攻克什么问题,科研成就不是怨天尤人者所能摘取的果实。刘寿长始终相信这一点。

3、未尽的研究和无尽的探索 

科学永无止境。刘寿长团队在苯选择加氢制环己烯“卡脖子”技术上的突破,开发了新兴催化体系和催化剂制备技术,对环己烯表现出高达80%的选择性和40%以上的环己烯收率,处于国际领先水平。一套装置可为国家节省催化剂购买费上千万元,每条生产线可新增产值数亿元人民币。

但突破所带来的并不是一劳永逸的成就。

从热力学角度上看,环己烷的热稳定性高于环己烯,因此在生产过程中,苯加氢会更有利于环己烷的生成。而催化剂的性能是提升环己烯选择性的关键。2009到2013年,刘寿长团队又先后开发了更具良好亲水性与稳定性的第二代非负载型ru-zn催化剂和低温高活性的第三代催化剂,从使用效果看,一代比一代好。

现在化学学院年轻的科研团队仍在研发新一代催化剂。刘寿长教授这一辈科研工作者所实现的是“卡脖子”技术的突破,而新一辈的科研工作者则更加注重化学原料的安全性,生产更加安全、环保的催化剂,继续前进,打破少数国家在市场上的垄断。

但上一辈的研究也并没有结束。刘教授现在仍然不时前去现场观察催化剂的生产,思考生产路线的完善和应用领域的拓展。

科学研究是科研工作者的战场,也是不同国家之间相互争夺的阵地。苯部分加氢制环己烯所需的原材料虽然丰富,但并不是无限量。可能在某一天,新的突破挑战会再次摆在化学学院新的领军人物和科研团队面前。但对于他们而言,探索任何一个新的可能性都具备相同的路径,那就是“只能踏踏实实地做”。

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