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催化基础研究

熊国兴

建所六十年的催化基础研究历程,以改革开放前后可大致分为两段。在七十年代末我国改革开放之前,我所的科研工作是以解决国家急需为中心,基础研究是以应用基础为主,其成功的基本经验,正如1958年在中科院大连现场工作会议上张劲夫副院长所指出的是“以任务带动学科。”

自1952年4月5日归属中科院,名为“中国科学院工业化学研究所”,继 1954年6月更名为“中国科学院石油研究所”,至1961年12月更名为“中国科学院化学物理研究所”的十年,围绕国家重要任务的催化工作,如合成石油与加氢裂解 ,煤和页岩油加工及合成油七碳馏分制甲苯等展开研究,针对催化剂及其常用担体的物化性质的检测,建立物理吸附测比表面积和孔径及其分布,压贡仪测大孔分布,化学吸附和催化性能测试方法。试图寻找控制催化剂性能的催化材料关键物化性质与制备因素,以帮助催化剂与催化工艺的开发。在完成国家任务带动下的应用基础研究取得了一系列对我国石油工业的恢复与发展具有重要意义的成果,其中楼南尔,张存浩,王善鋆等完成的“熔铁催化剂水煤气合成液体燃料及化工产品”,彭少逸,郭燮贤等完成的“合成油七碳馏分环化法制取甲苯”于1956年荣获了当时国家自然科学最高级别奖励的中国科学院自然科学奖的三等奖。以完成国家任务为中心的研究中,人们在建立测试手段关联催化剂材料的组成与结构和其催化性能同时,认识到发展催化基础研究对于长远更快更好完成任务,开拓新催化技术的重要性。在1956年国家发出“向科技进军”号召,开始重视科技发展规划指订中长期科技发展纲要,在我所张大煜所长建立了催化剂及物理方法研究室,并亲自兼任室主任,从事催化剂和催化反应的基础研究。建立与应用催化剂组分分析,CO和H 2 化学吸附表面积孔分布和差热分析方法,通过对CO高压加氢合成液体燃料的钴催化剂的制备因素对其催化性能影响的研究,指出了载体不只起物理分散和担载活性组分的作用以及表面的不均一性等。在这些研究的基础上,在1960年初的中科院学部大会上张大煜提出了“表面键”的学术见解,认为催化剂表面的不均一性使反应分子吸附在催化剂表面形成不同强弱的吸附键,起催化作用的是一部分吸附键强弱适宜的吸附态,工作已涉及催化作用的本质,具有重要的学术意义。

六十年代初,随着我国发现与大规模开发大庆油田,以及石油部所属石油科学研究院的建立与成长,石油部表示可以承担完成石油炼制与石油化工的有关应用研究,并逐步停止人造液体燃料与页岩油方面的研究。另一方面,我所十余年间围绕满足国家人造液体燃料与有机化工品需要的研究中,已在人才队伍,研究设施与学术积累上为催化,化工与色谱的学科建设打下了很好的基础。同时,随着科学发展,新兴交叉学科领域研究的飞速进展,国际学术界对以揭示化学现象(如催化、腐蚀、燃烧等)的物理本质和物理现象(激光,爆炸,超导等等)的化学本质的交叉学科物理化学与化学物理有了新的重视与发展,欧美与苏联科学院相应成立了化学物理研究所。在此背景下,1961年2月中科院将我们由应用研究为主的石油研究所更名为承担任务与学科建设并重的“中国科学院化学物理研究所”。在那中国的发展主要靠自己,缺乏国际合作与交流的年代,我们在坚持了以完成国家需要的重要任务为中心的同时,加强了学科建设,加强学术交流与合作。在1961年11月成立了以张大煜为主任郭燮贤为副主任的催化基础研究室(2室)和以肖光琰为主任的催化应用研究室(3室)两个研究室,从事侧重催化基础与应用基础的研究。并在1962年11月青岛会议上对学科建设作了规划,催化作为所里基础较好的学科得到了加强。1962年秋从清华,北大,复旦,吉大,南大等十几个大学招进了百名应届毕业生,其后直至文化大革命前不断补充大批年轻科技人员,作了新的部署,围绕催化裂化,催化加氢,催化加氢裂解,合成氨等重要催化过程,开展了表面键与吸附态,酸碱催化,电子-酸性双重性催化和催化剂及其担体的催化材料制备的较系统研究。在关注国际催化研究的进展,吸取国际催化学术进展成果的同时,自力更生为主和进口红外,质谱,气相色谱等少量关键设备,创建了一系列催化研究的新方法新技术,这包括高真空装置研究H2,CO,氨,吡啶化学吸附等温线,吸附热力学,吸附速率,吸附态和吸附动力学,表面酸性与金属分散度的表征,表面电导,X射线衍射催化剂物相分析、顺磁共振与核磁共振以及同位素技术等等。靠自己的实力,在与产业部门和高校的合作与竞争中,在自然分工发挥特色基础上,催化研究在国内确立了自己的重要地位。

更名化物所后,在完成国家重要任务的催化应用研究与学科建设开展的催化基础研究相结合的实践中,成长起来的学术带头人与研究团队,日益丰富的学术积累与研究基础的提高,加上多课题组间的紧密合作研究与协同攻关,使化物所在完成国家急需任务的能力上有了明显的提高。在国外封锁缺乏资料的景况下,完全独立自主地完成一批具有国际先进水平的催化研究成果,为我国经济建设与国防安全做出了重要的贡献。其中主要有完全自主创新研发的加氢异构裂化催化剂与合成氨原料气净化新流程。前者不仅解决了在苏联突然停止供应的情况下,我国对航空煤油的急需,实现了国产化,为国家安全与经济建设做出了重大贡献,而后者则是将我国的合成氨工业由40年代水平提高到60年代的国际水平。在短短几年中,这两个重要研究任务的高质量快速完成,也体现了催化基础研究学术积累的重要作用。加氢异构裂解219催化剂的发明就集聚了我所在催化临氢异构,催化加氢和催化裂化研究中积累有关的金属催化剂,硅铝酸性催化剂以及电子酸性双重性催化剂等方面研究的长期学术积累,以及包括研究队伍与研究设施的研究基础发挥了关键作用。

1966年开始的文化大革命,在科研的计划和组织上完全忽视并极大削弱了基础研究。在知识与知识分子得不到尊重被排斥的形势下,学术带头人成了反动学术权威,钻研学问批成走白专道路,成为批斗甚至迫害的对象。当时的301课题组,组长肖光琰与技术员朱志伟被迫害致死,三十岁以上的科技骨干全进了牛棚,后来与三十岁以下的年青大学毕业生一起全部下放农村就很典型。在1970年初全所三百多位科技骨干下放农村安家当五七战士,接受贫下中农再教育。后来随形势发展,国家科研任务的需要才重新陆续回所。这期间虽没了专门从事催化基础研究的室组,但紧密结合完成肼分解姿态控制催化剂、抗陈化防毒碳催化剂,多金属重整催化剂,煤厂气蒸气转化造氢催化剂,丙烯液相本体聚合新工艺等等国家任务的同时,我所的催化基础研究并没完全中断。关注国际催化科学研究的新进展,结合任务利用国内其他单位的进口仪器和少量进口仪器,臧琛玲、熊国兴、辛勤等开始应用超高真空光电子能谱,高分辨电镜,原位红外核磁共振等现代物理方法,对催化剂表面和吸附态进行分子、原子水平的催化表征研究;郭和夫、廖世健、奚祖威,在络合催化、有机金属化合物和结构化学方面开展研究;贝勉之等人在固氮酶方面的研究;郭燮贤,姜炳南,徐荫晟等人开展催化反应机理和量子化学计量等基础理论研究。同时,在担载型催化剂上活性组分与担体以及活性组分间的相互作用的研究得到了众多的关注,在新催化剂与新催化工艺研制,完成国家任务的过程中,分子筛和多金属催化剂等催化材料及其制备技术方面的研究积累也日益丰富,我所逐渐成长为我国催化公认的研究中心。

1978年随着科学春天的到来,分散在各研究室课题组的催化基础研究队伍重新整合,经过几个月的筹备在12月正式成立了郭燮贤为室主任催化化学研究室(五室) 亦称催化基础室。1978年10月16-21日,中科院主办,由我所主要五室承办的“全国催化学术会议”在大连饭店召开,盛况空前,与催化有关的著名科学家张大煜(当时已调感光所当所长)唐敖庆,闵思泽,彭少逸,蔡启瑞等都到会,有73个单位派了153个代表和83个到席代表参加了会议,在会议第二阶段讨论落实了我国的催化学科规划。此后,我所在我国催化基础研究的规划与学术组织上发挥了重要的引领作用。当时贯彻中国科学院侧重基础、侧重提高的办院方针,在1979至1980年,引进了上百万美元的大型精密仪器,包括PHI-550多功能电子能谱,FT-80A核磁共振仪,H-600透射电镜,683型等多台红外光谱仪,N80色谱质谱联用仪等;在研究能力上有了很大的提高,在当时催化学术界的研究热点,如金属担体相互作用(SMSI)的研究中迅速提出了自己的学术观点,王弘立,熊国兴,郭燮贤等在国际发表了论文,在国际SMSI学术会议上被主席总结报告中作为观点之一作了评述。1980年,3月我所主办的“催化学报”发刊,成为我国催化学术界的主要学术刊物,经几十年努力现已成为国际知名SCI收录的催化学术刊物。在1978年恢复研究生制度时,催化学科王弘立,郭燮贤,郭和夫,林励吾等由国务院学位委员会成为第一批准的研究生导师,(1979年招硕士研究生,1981年招收博士生),80年代初入学培养毕业的博士生,李灿,赵东元,张涛,肖丰收,刘中民,杨维慎等后来都已成为我国催化领域的知名学者 。

在这百废待兴,拨乱反正的科学春天,科技学术界迅速开始了改革开放的进程,已认识到要开放就是要参与国际竞争,不能满足于国内首创,国内领先,尤其基础研究无国界是必须通过学术交流走出去请进来,学习国际先进科技,继承人类的知识积累,融入国际学术界,为人类的进步作贡献。在改革开放前,除了向苏联学习,有些科学家互访和学术交流,可以说是与国际催化学术界几乎没有学术交流与合作研究。十年动乱最可怕的结果是人才匮乏,知识老化,与国际先进水平最大的差距就在于科学家知识积累与研究基础方面的差距。我所制定了培养第二代学术带头人的规划,抓紧时机派出科技骨干作为访问学者到发达国家著名的大学与实验室去学习进修成了共识,从79年开始在几年时间里派出了访问学者三十余人,后来的催化学科各研究室主任与课题组长几乎都有在国外一年以上的进修学习和合作研究交流经历,与世界最著名的一些催化的实验室与学者建立起良好的个人关系与交流合作。这些就为催化基础研究的发展走向国际和催化基础国家重点实验室的成立打下了良好的基础。

我所催化基础走向国际的另一个重大举措就是积极参与国际学术交流,从郭燮贤,林励吾1980年参加在东京召开的第七届国际催化大会(ICC),越来越多的我所科学家参加了这四年一届的国际催化大会,从1984年第八届ICC开始,作为中国催化学术界的代表,郭燮贤,蔡启瑞成为国际催化协会理事起,我所郭燮贤(1984-1998),接着李灿一直是理事,并且在2004年第13届ICC(巴黎)上被选为副主席,与2008年后的国际催化协会的主席。另一个理事职位由蔡先生,陈懿和何鸣元相继担任。我所越来越多的学者在ICC讲台发表口头报告,主题报告与大会邀请报告。也从1980年开始,我所催化科学家出现在越来越多的各种催化学术会议的讲台上。

在郭燮贤的领导与努力下,由我们发起的1981年在大连召开了第一届中、日、美催化学术会议,开始了主动组织国际学术会议,加强与发达国家的学术交流与合作。中日美三国主要的催化科学家每两年一次的学术会议,先后在大连、东京、芝加哥、札幌、厦门、北京,连续召开了六届,为我国一批又一批的中青年学者提供了国际交流与同行切磋商洽合作研究的机会,同时也使我国的催化科学研究得到了国际上的了解。作为主要的组织者,我所的催化研究也得到国内外催化同行越来越多的了解与越来越高的评价,中日美三国催化会议在国际尤其是泛太平洋亚太地区产生了重要影响,在越来越多国家学者的参会与要求下,中日美三国催化学术会议终于在郭燮贤等老一辈催化科学家的努力下在1996年后拓展为三年一届的亚太催化大会(Asia-Pacific Congress on Catalysis 简称APCAT),第一届与第二届APCAT分别于1997年与2000年在韩国与澳大利亚召开,而第三届又回到大连有我所主办,APCAT已经与北美催化会议与欧洲催化会议并列为仅次于四年一届ICC的国际催化盛会,这些会议参会者事实上都来自世界各地。改革开放的一系列措施,带来的与国际催化学术界的这种频繁紧密的人员往来与学术交流,不仅加强了我们与国际的联系,完全融入了国际催化学术界,并且也逐渐在国内外赢得了学术声望与地位,为我国化学领域第一个向国内外开放的国家重点实验室在我所建立奠定了基础。

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