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杨维慎:执着于磨砺无机膜与膜催化这一“膜”法传奇
《中国科学报》 杨维慎 / 时间:2019-09-24 15:11:48

  据科学网2019年9月24日讯 反应和分离是化学工业的两大基本过程,将两者耦合构建膜反应器,实现反应—分离一体化是一项极具挑战的世界性难题,是国际膜科学家、材料化学家、化学工程专家争相研究的焦点。
  30多年岁月长河,充满奇幻的“膜”法世界始终令我神往,无论多少艰难险阻,都无法动摇我的初心。迷雾重重时,我告诉自己唯有沉着冷静,方能找准前行方向;拨云见日时,我更加坚定信心,向着目标奋力冲刺。正是这份对科学研究的挚爱,一直如灯塔般激励和指引我不断向前。
  十年“膜”一剑
  执着丰满梦想羽翼
  1990年,我26岁,在中国科学院大连化学物理研究所(以下简称:大连化物所)获得博士学位后便担任研究组组长。在导师林励吾院士的建议下,我选择无机膜与膜催化作为未来团队的研究方向。这项研究涵盖材料科学、催化化学和化学工程等诸多学科,过程机理十分复杂。我意识到,膜材料的设计和合成将是整个研究的关键。
  开始的那段岁月,很艰难。我的第一间实验室,虽只是一间阴暗潮湿的库房,却至今令我深深怀念;我的第一笔科研启动经费仅6000元,却开启了团队的研究征程。那时虽艰难,却也充实、快乐。1998年,我获得中国化学会青年化学奖,同年带领研究团队顺利进入中科院知识创新序列,并与其他相关课题组进行资源整合,实验条件得到极大改善。
  守得云开见月明。经过此番整合,我带领的“无机膜与催化新材料”团队初具规模,科学研究也进入快速发展时期。
  忆往昔,恩师教诲犹在耳畔,沉淀于心令我受益匪浅;忆往昔,峥嵘岁月历历在目,历练于身令我毕生受用。
  “膜”力全开
  整装直迎新征程
  “心系国计民生,以科学研究服务生产生活”,这是我在科研道路上前行的原动力。“以创新为出发点,做有价值的科学研究”,这是我在科学海洋里乘风踏浪的明亮灯塔。
  多年研究中,我和团队始终以提高过程效率和降低能耗作为首要原则,并将研究重点放在分子筛膜、透氧膜、膜分离与催化反应耦合的相关领域中。多年求索,我们终于在无机膜与膜催化领域取得阶段性的重要进展,并获得2006年辽宁省自然科学奖一等奖。
  为了将目前工业上的高能耗过程向节能环保型过程转变,我们设计并合成了具有分子尺度分离性能的无机膜,实现了膜反应器中分离与反应的强化耦合新过程。通过研究,我们提出了透氧膜材料优化设计原则,解决了膜材料氧渗透性与稳定性相互制约的关键性科学问题,该项研究引领国际透氧膜材料的研究方向;首次提出了利用透氧膜连续可控地提供活性氧物种来提高选择氧化反应选择性的新概念,解决了选择氧化反应选择性低的关键性科学问题,为开拓化工领域分离—反应耦合过程提供了新思路;首次合成了择优孔道取向的MFI型分子筛膜和金属—有机骨架分子筛纳米粒子构筑的混合基质膜,解决了分子筛膜扩散孔道优化调控的科学问题,实现了膜渗透通量的数量级提高,为分子筛膜在生物炼制领域的广泛应用奠定了科学基础;率先提出了微波合成分子筛膜的新概念,解决了分子筛膜无缺陷合成的关键性科学问题,成功实现膜晶界结构和晶粒形貌的纳米尺度调控,获得了具有分子尺度分离性能的分子筛膜,该项研究受到国内外同行的广泛认可,被称为分子筛膜合成领域的重要进展。
  2015年,我主持完成的“分子尺度分离无机膜材料设计合成及其分离与催化性能研究”项目获国家自然科学奖二等奖。
  荣誉只代表过去,脚下的路才是新的起点。我告诉自己要时刻牢记肩上的责任和使命,“膜”力全开,整装待发,直迎新的征程。
  初心未改
  在“膜”法传奇中不断创新
  过去5年,我们在分子筛膜研究中取得突破性进展——首次成功实现二维金属—有机骨架材料开层,并获得单分子层厚度的分子筛纳米片,通过可控热组装方法得到厚度小于5纳米的超薄分子筛膜,并利用其规整筛眼型孔道实现了对尺寸差异仅为0.04纳米的氢气和二氧化碳分子的快速、精确筛分,达到二氧化碳燃烧前捕获应用要求,被同行评价为里程碑式的研究进展。在此基础上,我们拓展了二维MOF纳米片膜。这些工作为设计合成具有优异分离性能的二维纳米片膜指明了新方向,推进了超薄二维膜在实际气体分离领域工业化应用的进程。
  我们提出以限域负载离子液体的方法来精细调变材料的孔道结构,并以此构建出具有优异性能的金属有机骨架分子筛分膜,在二氧化碳燃烧后捕获和天然气纯化领域展现广阔前景。此外,我们致力于无缺陷分子筛膜的合成方法优化,为实现更多分子筛膜的放大和工业化奠定了科学基础。
  在透氧膜研究方面,我们解决了低温透氧膜关键性科学问题,在此基础上,针对膜材料低温相变引发的性能衰减问题,提出以纳米粒子钉扎晶界形成“路障”,通过限制金属离子沿晶界的扩散来抑制异相成核和新相形成,极大提高了易相变膜材料的低温稳定性。基于前期膜材料设计,我们对现有工业制备氨合成气的至少6步和制备液体燃料合成气的至少3步复杂工艺进行高度集成强化,能耗比现有工业过程降低63%,且对环境友好,无直接二氧化碳及有害气体排放。此外,我们提出在陶瓷基透氧膜反应器中实现氢分离的新概念,氢分离速率较质子导体膜提升了2至3 个数量级,氢分离性能可与钯基金属膜相媲美。在含200ppm硫化氢的气氛下长期运行,氢分离性能没有发生衰减,可用于为燃料电池、半导体制造、光伏电池等生产高效提供高纯氢或超高纯氢。
  我和团队撰写出版了《金属-有机骨架分离膜》中文专著及Mixed Conducting Ceramic Membranes: Fundamentals, Materials and Applications(Springer)英文专著各一部,并获2018年辽宁省自然科学学术成果奖(著作类)一等奖。
  在应用研究方面,我们在国际上率先实现A型分子筛膜微波合成工业放大,并建成4套分子筛膜脱水分离工业应用装置,完成每年百万吨级混合醇工艺包设计,为进一步工业应用提供了有力的技术支持。经过30余年的探索,我们完成乙烷氧化脱氢制乙烯(大宗化学品)实验研究;开发了具有自主知识产权的新型丙烷脱氢制丙烯(大宗化学品)催化剂;完成丙烷选择氧化制丙烯酸(精细化学品)单管实验以及工艺包编写。
  站在世界最前沿,应是我们每一位科学工作者始终秉承的研究理念,以国家需求为根本导向,突破化工生产过程中的制约与瓶颈,更应是我们每一位科学工作者最朴素和真挚的心愿。多少年风雨兼程,唯有不忘初心、孜孜以求,方能攻坚克难、勇立潮头。三十余载的执着和信念,将激励我们不断追求卓越,以报国之心,在无机膜与膜催化这一“膜”法传奇中不断创新!
  作者简介


杨维慎:执着于磨砺无机膜与膜催化这一“膜”法传奇


  杨维慎,黑龙江省肇源人,博士、研究员、博士生导师。现任大连化物所无机膜与催化新材料课题组组长。