東南網(wǎng)4月18日報道(福建日報記者 李珂 通訊員 劉娟)
4月10日，一則重磅消息從福州大學(xué)化工學(xué)院、清源創(chuàng)新實驗室傳出：鮑曉軍教授、朱海波教授課題組聯(lián)合多家單位，歷經(jīng)6年攻堅，成功研制出首款具備“自愈再生”功能的智能丙烷脫氫鉑催化劑，首次實現(xiàn)了催化劑在無氯條件下完全再生，解決了現(xiàn)有再生過程產(chǎn)生大量氯污染物和反應(yīng)器腐蝕的問題。
兩大顛覆性設(shè)計
丙烯是塑料、地毯、口罩、汽車部件等產(chǎn)品的基礎(chǔ)化工原料，在現(xiàn)代生活中至關(guān)重要。隨著全球經(jīng)濟發(fā)展，其市場需求持續(xù)增長。目前，約10%的丙烯通過丙烷脫氫(PDH)技術(shù)生產(chǎn)。頁巖氣革命使得丙烷供應(yīng)充足且價格低廉，讓PDH技術(shù)成為化工領(lǐng)域的“明星賽道”。
然而，丙烷脫氫生產(chǎn)丙烯常用的負(fù)載型鉑團簇催化劑存在嚴(yán)重缺陷。在嚴(yán)苛工況下，催化劑中的鉑原子易從原子級團簇聚集成幾百納米級粒子，致使催化劑燒結(jié)失活。
傳統(tǒng)工藝為使失活催化劑恢復(fù)活性，需在含劇毒氯氣的氧化氣氛中燒除積碳，并借助氯氣誘導(dǎo)鉑顆粒重新分散。但這種工藝弊端明顯，不僅嚴(yán)重腐蝕生產(chǎn)設(shè)備，還會在生產(chǎn)過程中排放大量含氯污染物，并產(chǎn)生巨量碳排放，環(huán)保成本令人咋舌。
鮑曉軍、朱海波團隊迎難而上，精準(zhǔn)錨定問題核心：規(guī)避氯氣使用、延長催化劑壽命。為此，他們耗費6年重構(gòu)催化劑結(jié)構(gòu)，終獲重大突破——含鍺分子篩負(fù)載的鉑催化劑應(yīng)運而生。
據(jù)介紹，這一創(chuàng)新成果蘊含兩大顛覆性設(shè)計：一是把鉑金屬顆粒封裝在含鍺分子篩中，形成“蜂窩狀安全屋”，即便800℃高溫也能保證鉑原子不團聚；二是催化劑積碳失活時，用空氣加熱，鉑顆粒自動“解體”成單原子態(tài)，積碳燒除后又能重組恢復(fù)工作，全程無需氯氣，再生周期大幅延長。
該催化劑極為神奇，在“脫氫反應(yīng)－燒炭再生”循環(huán)中展現(xiàn)出“Pt8團簇 Pt1單原子”動態(tài)可逆轉(zhuǎn)化的特性。在800℃氧化環(huán)境連續(xù)處理長達10天后，孔道內(nèi)鉑物種穩(wěn)如泰山，首次達成無氯氧化氣氛中超百次完全再生，為全球化工界所矚目。
醞釀一場綠色變革
作為我國石油加工領(lǐng)域?qū)W術(shù)帶頭人之一，鮑曉軍近30年投身理論研究與技術(shù)研發(fā)。據(jù)清源創(chuàng)新實驗室介紹，針對汽油質(zhì)量升級難題，他帶領(lǐng)團隊研發(fā)三代成套技術(shù)，市場占有率超三分之一，助力生產(chǎn)超1億噸清潔汽油，利潤超200億元。
談及此次重大成果，鮑曉軍說，該成果為解決工藝難題和設(shè)計貴金屬催化劑開辟了新途徑，賦予工業(yè)催化劑“自適應(yīng)”與“自修復(fù)”能力，使其進階為能靈活應(yīng)對不同環(huán)境的智能催化劑。
這項技術(shù)優(yōu)勢突出。環(huán)保上，從根源淘汰氯氣再生工藝，杜絕氯氣使用，減少碳排放；經(jīng)濟上，降低再生能耗，減輕設(shè)備腐蝕，延長使用壽命；性能上，實驗室顯示連續(xù)再生周期較傳統(tǒng)催化劑延長超10倍，而且潛力巨大，有望為高溫抗燒結(jié)催化劑設(shè)計開辟新路徑，推廣至其他化工領(lǐng)域。
鮑曉軍團隊的研究遠不止于此，從“自愈再生”丙烷脫氫催化劑到“減污降碳”煙氣脫硝催化劑，一場由分子篩催化劑引發(fā)的綠色變革正在醞釀。
面對分子篩材料制備的綠色化、高性能化和低成本化挑戰(zhàn)，團隊提出了一條基于天然礦物納微尺度解聚－重組裝制備高性能分子篩的低成本綠色合成路線，完成了系列微孔分子篩和雜原子分子篩的中試放大生產(chǎn)和中試性能評價。該研究成果讓高性能分子篩催化材料合成實現(xiàn)綠色化，還為廉價天然礦物的高附加值利用開辟新路，榮獲2022年中國化工學(xué)會基礎(chǔ)研究一等獎。
基于首創(chuàng)的以天然硅鋁礦物為原料的分子篩綠色合成技術(shù)，團隊在南平邵武孵化了1家初創(chuàng)型高技術(shù)企業(yè)，實現(xiàn)了等級孔ZSM－5分子篩及分子篩基催化劑的成果轉(zhuǎn)化落地。目前，鮑曉軍教授研發(fā)的分子篩基系列催化裂化汽油加氫改質(zhì)催化劑，已在全球27套裝置大規(guī)模使用，兩次獲得國家科技進步獎二等獎。
研究成果“走出”實驗室
在泉州市泉港區(qū)石油化工科教園區(qū)(福州大學(xué)石油化工學(xué)院泉港校區(qū))，由泉州市政府牽頭，依托福州大學(xué)與中化泉州石化有限公司共建的福建省首批創(chuàng)新實驗室之一——清源創(chuàng)新實驗室坐落于此，鮑曉軍擔(dān)任實驗室的執(zhí)行主任。
鮑曉軍介紹說，實驗室秉持“企業(yè)研發(fā)落在實驗室，實驗室建在產(chǎn)業(yè)鏈上”的理念，全力加速成果轉(zhuǎn)化。他認(rèn)為，技術(shù)和產(chǎn)品的中試放大只是起點，實現(xiàn)創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈深度融合，才是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、形成新質(zhì)產(chǎn)業(yè)集群的關(guān)鍵。如今，由他領(lǐng)銜的研究團隊正積極探索實踐，穩(wěn)步走在這條融合發(fā)展之路上。
借助實驗室產(chǎn)學(xué)研用深度融合的優(yōu)勢，團隊以自有知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品為載體，巧妙融合團隊及蔡偉龍教授等研究者的多項前沿技術(shù)，如“分子篩基煙氣脫硝催化劑”“聚苯硫醚高性能纖維關(guān)鍵技術(shù)”“節(jié)能型高通量覆膜濾料關(guān)鍵技術(shù)”“大通量催化濾料制備技術(shù)”等，匠心獨運開發(fā)出高溫低塵SCR脫硝一體化技術(shù)。
這項核心技術(shù)已入選中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會2023年生態(tài)環(huán)境保護實用技術(shù)裝備和示范工程名錄。憑借此技術(shù)，清源創(chuàng)新實驗室在2022年和2024年，于泉州市相繼孵化出2家初創(chuàng)型高技術(shù)企業(yè)，還吸引了4家相關(guān)企業(yè)從杭州等地集中搬遷入駐惠安縣惠東新能源產(chǎn)業(yè)園，一時間園內(nèi)企業(yè)匯聚，產(chǎn)業(yè)集聚勢能初顯。
鮑曉軍團隊始終錨定產(chǎn)研貫通的發(fā)展航向，一路乘風(fēng)破浪。一方面，他們聯(lián)合龍頭企業(yè)搭建研發(fā)中心，為技術(shù)迭代注入澎湃動力；另一方面，引入地方國企設(shè)立創(chuàng)投基金，以金融“活水”潤澤自主研發(fā)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程，加速創(chuàng)新成果從實驗室邁向市場的步伐。
在這一系列創(chuàng)新舉措驅(qū)動下，團隊主動出擊，整合催化材料、節(jié)能環(huán)保、裝備制造等領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，構(gòu)建一個產(chǎn)業(yè)集群。這里有4000噸／年雜原子分子篩生產(chǎn)線、4000m＾3／年蜂窩體相型脫硝催化劑生產(chǎn)線等多個項目，以減污降碳新技術(shù)為主營業(yè)務(wù)，預(yù)計未來3年產(chǎn)值將超20億元，為化工產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展添磚加瓦。