日前，陜西省人民政府印發(fā)了《關(guān)于2022年度陜西省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)的決定》。獲獎(jiǎng)成果涉及石油和化工行業(yè)22項(xiàng)，其中一等獎(jiǎng)6項(xiàng)、二等獎(jiǎng)8項(xiàng)、三等獎(jiǎng)8項(xiàng)，涵蓋油氣勘探開發(fā)、煤化工、精細(xì)化工、新材料、資源環(huán)境和化工裝備等領(lǐng)域。此次獲得一等獎(jiǎng)的成果既有科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，又包括自然科學(xué)獎(jiǎng)，是近年來(lái)石油和化工行業(yè)獲獎(jiǎng)級(jí)別較高的一次。本版今日起對(duì)獲得陜西省科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的成果進(jìn)行解讀，以饗讀者。

　　太陽(yáng)“曬”出氫和氨

　　——記陜西省科技獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)成果高活性低成本水分解制氫催化劑  　　

　　太陽(yáng)提供的能源是地球和人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是取之不盡、用之不竭的可再生能源。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成清潔能源——?dú)浜桶保�一直是全人類可持續(xù)發(fā)展的夢(mèng)想。然而，當(dāng)前全球96%的氫來(lái)源于化石燃料，制取工藝過(guò)程存在碳排放量大、條件苛刻、能耗高等問(wèn)題。如今，西安交通大學(xué)、榆林學(xué)院圍繞太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光/電催化水分解制氫關(guān)鍵技術(shù)展開系統(tǒng)研究，提出了低成本、高活性水分解制氫催化劑的設(shè)計(jì)策略及其結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了溫和條件下氫的低成本高效綠色制取，將夢(mèng)想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，也因此榮獲2022年度陜西省科技獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

　　催化理論獲高度評(píng)價(jià)

　　太陽(yáng)光向清潔化學(xué)能轉(zhuǎn)變，催化是關(guān)鍵手段。在催化反應(yīng)中，催化劑設(shè)計(jì)則是關(guān)鍵難題。

　　西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)楊貴東告訴記者，經(jīng)過(guò)10多年潛心研究，他們?cè)谒�分解制氫催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及作用機(jī)制研究方面攻克了許多科學(xué)難題，取得了突出業(yè)績(jī)。例如，他們針對(duì)光電催化劑界面載流子極易復(fù)合問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)筑同質(zhì)節(jié)、異質(zhì)結(jié)等手段，強(qiáng)化水分解反應(yīng)過(guò)程中光生電荷的定向遷移，有效降低了光生電子和空穴的復(fù)合;針對(duì)傳統(tǒng)催化劑光滑表面難以實(shí)現(xiàn)水分子有效吸附的難題，通過(guò)構(gòu)筑催化劑表面缺陷位點(diǎn)，揭示水吸附影響界面反應(yīng)速率的作用機(jī)制，闡明水吸附對(duì)產(chǎn)氫活性的關(guān)鍵作用;針對(duì)光催化界面反應(yīng)速率低的問(wèn)題，開發(fā)了精準(zhǔn)調(diào)控催化劑孔道結(jié)構(gòu)與限域反應(yīng)空間的新策略，實(shí)現(xiàn)了分解水產(chǎn)氫活性的顯著提升。同時(shí)，針對(duì)光催化全解水反應(yīng)過(guò)程中熱力學(xué)能壘過(guò)高和動(dòng)力學(xué)過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題，他們通過(guò)雙助催化劑的功能化表面設(shè)計(jì)，改變反應(yīng)路徑，降低反應(yīng)能壘，顯著提升了全解水活性。

　　這些創(chuàng)新的學(xué)術(shù)成果，贏得了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度評(píng)價(jià)。英國(guó)皇家工程院外籍院士、新加坡工程院院士、新加坡國(guó)立大學(xué)副校長(zhǎng)Seeram Ramakrishna教授表示，這種高結(jié)晶度魚鱗狀氮化碳多孔納米片非常有利于光吸收以及電荷轉(zhuǎn)移與分離，增強(qiáng)光吸收能力和光催化活性，產(chǎn)氫速率較普通納米片提升了2.93倍。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)高級(jí)科學(xué)家、捷克帕拉茨基大學(xué)Rajender S.Varma教授表示，楊貴東團(tuán)隊(duì)研發(fā)的有序多孔結(jié)構(gòu)催化劑，能有效促進(jìn)電荷體內(nèi)到表面的遷移，降低電荷復(fù)合率，進(jìn)而促進(jìn)氧化還原反應(yīng)。

　　從綠氫到綠氨的跨越

　　合成氨是揭開現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)序幕的標(biāo)志性工藝。當(dāng)前，全世界以哈伯法工藝為主的工業(yè)合成氨年產(chǎn)量已達(dá)2.5億噸。這種高溫高壓的合成工藝能耗較高，每年總耗能約占全球總能源消耗的2%，二氧化碳排放量約占全球總碳排放量的1.6%。

　　太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光/電催化分解制氫，是一種高效、綠色、低碳的顛覆性制氫技術(shù)，具有主反應(yīng)過(guò)程零碳、低能耗、常溫常壓等特點(diǎn)。但氫氣存在不易儲(chǔ)存、能量密度較低的缺點(diǎn)。這個(gè)思路能否用于太陽(yáng)能光電催化合成能量密度較大、可作為儲(chǔ)氫載體的氨，從而將合成氨反應(yīng)條件從傳統(tǒng)哈伯法的高溫高壓變革為常溫常壓?楊貴東團(tuán)隊(duì)又向這個(gè)全球顛覆性制氨技術(shù)發(fā)起了科學(xué)挑戰(zhàn)，承擔(dān)了科技部光電催化領(lǐng)域國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目——低能耗、低碳排放氮?dú)狻�水光電催化合成氨關(guān)鍵技術(shù)。

　　“我們通過(guò)聚焦催化作用原理、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成等研究，開發(fā)了新型銅基合成氨催化劑及其可控宏量制備技術(shù)，闡明了光電催化反應(yīng)條件下N-N鍵活化和N-H鍵形成的作用原理，構(gòu)建并聯(lián)的光電催化合成氨反應(yīng)器系統(tǒng)，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的顛覆性合成氨制備技術(shù)�！睏钯F東說(shuō)。該技術(shù)將哈伯法的氮?dú)狻獨(dú)浞磻?yīng)體系變?yōu)橐詽窨諝鉃樵�料的光電催化轉(zhuǎn)化新體系，在太陽(yáng)光照射條件下一步生產(chǎn)稀氨水，開創(chuàng)了低能耗、低碳排放、短流程的綠色合成氨新途徑。

　　據(jù)介紹，楊貴東團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)明了一套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的反應(yīng)器裝備，去年在西安完成反應(yīng)器部件及聚光部件的集成設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)太陽(yáng)光照射在反應(yīng)器陽(yáng)極時(shí)濕空氣瞬間發(fā)生反應(yīng)，在常溫常壓條件下單個(gè)反應(yīng)器氨產(chǎn)量達(dá)4~5克/小時(shí)。

　　記者了解到，這種變革性的合成氨技術(shù)正在邁向工業(yè)化。目前，楊貴東團(tuán)隊(duì)與國(guó)能榆林化工有限公司和華陸工程科技有限責(zé)任公司開展合作，進(jìn)一步研發(fā)高效生產(chǎn)技術(shù)裝備系統(tǒng)，通過(guò)工藝整合與設(shè)備系統(tǒng)結(jié)合，將光電催化合成氨全新生產(chǎn)工藝推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。8月下旬，全球首套百噸級(jí)光電催化合成氨集成工業(yè)示范項(xiàng)目合作協(xié)議簽約，啟動(dòng)開展工藝包編制及工業(yè)示范裝置建設(shè)，預(yù)計(jì)明年上半年在陜西榆林建成并試運(yùn)行。據(jù)測(cè)算，這種合成氨新工藝噸氨產(chǎn)品耗能(煤、電)幾乎為零，水耗僅為0.1噸，投資及成本大幅下降，而且無(wú)“三廢”排放。