中國催化科學的奠基人之一
——張大煜

文/俞稼鏞

中國催化科學的奠基人之一
——張大煜

文/俞稼鏞

張大煜，字任宇，1906年2月15日生于江蘇省江陰縣長涇鎮。他從小酷愛讀書，學習成績優異。中學畢業以后，考入北洋大學（即天津大學），后轉清華大學。大學期間同翟風陽、葛春林、袁翰青等人組成大地社，他們經常探討如何“科學救國”和“工業救國”，并多次參加學生運動。1929年，張大煜于清華大學畢業，同年考取了公費留學德國和美國，他把留學美國的名額讓給了同學，自己赴德國德累斯頓大學學習膠體與表面化學，1933年獲工學博士學位。回國后曾任清華大學、西南聯大、交大教授和中央研究院研究員。中國開創催化反應和催化劑研究的科學家之一。早年從事膠體和表面化學以及人造燃油的研究；在大慶油田開發以后，組織了石油煉制、石油化工、高能燃料、色譜、激光和化工過程的研究；組建了我國第一個石油、煤炭化學的研究基地，并為我國培育了幾代研究人才。晚年仍關注石油工業有重要影響的強化采油中界面現象新領域的開拓。

創建石油煤炭化學研究基地

在清華大學學習期間，張大煜就深諳祖國缺油少氣的現狀。1929年，他懷著工業救國的理想赴德國留學。1933年在德累斯頓大學獲博士學位后，他親自考察了德國巴斯夫公司、拜耳公司等煤煉油工藝（Bergius煤加氫、F-T合成石油、Lurgi爐低溫干餾等），取得了當時國際先進的煤轉化第一手技術資料。回國后，即受聘于清華大學。抗日戰爭爆發后，張大煜從長沙輾轉到昆明，1940年在西南聯大任教并兼任中央研究院化學所研究員。為適應抗戰的需要，他毅然從基礎研究轉向石油、煤炭方面的技術科學研究。1941年，他利用云南豐產的褐煤，在昆明附近宜良滇越線上建立了一個從褐煤低溫干餾提煉汽油的小型實驗工廠——利滇化工廠，邊實驗邊生產，歷盡千辛萬苦煉出了油。但在人力、物力、設備和經費等方面困難重重，終于被迫停辦。張大煜“工業救國”的嘗試遭到了挫折，但為他后來創建我國第一個石油煤炭化學研究基地提供了最初的經驗。抗日戰爭勝利后，張大煜從昆明到上海，任交通大學教授兼北京清華大學化工系主任，講授工業化學和膠體化學，在極端困難的條件下，還開展了一些研究工作。1948年底經上海地下黨負責人介紹毅然離開上海，繞道香港和朝鮮，于1949年初到達大連。1949年大連大學創辦初期，他任化工系教授、系主任，同時擔任大連大學科學研究所（后改名為東北科學研究所大連分所）研究員、副所長。

大連所始建于1908年，其前身為日本“南滿洲鐵路株式會社中央試驗所”，是日本帝國主義為掠奪我東北資源進行調查和科研而設置的，盛時日本職工曾達600多人。日本投降后，隸屬中蘇合營的中國長春鐵路管理局，設有無機化學、有機化學、燃料化學、窯業化學、農產化學、物理化學等8個研究室，有較好的研究條件和設備，但當時的研究方向混亂、組織渙散。1948年底到1949年初，蘇方移交該所，隸屬于大連大學。張大煜教授到任后，百廢待興，他全力以赴地投入接收和改組工作中，克服了重重困難，做了大量艱苦細致的思想、組織工作，團結留用了部分有專長的日籍科研人員。1950年9月，大連所改名東北科學研究所大連分所，屬東北工業部管轄，任命董晨為所長，張大煜為副所長。1953年4月該所又更名為中國科學院工業化學研究所，張大煜任所長。1953年8月，在所長張大煜和燃料工業部的積極倡議下，成立了液體研究委員會，張大煜任主任委員，侯祥麟任副主任委員，委員有趙宗燠、張定一、劉放、顧敬心、曹本熹等，定期地對研究所的計劃和工作進展情況進行審查評議，這對加強研究所與生產部門的協作聯系起了很大作用。1954年，工業化學研究所再次更名為“中國科學院石油研究所”，同時成立“中國科學院煤炭研究室”，由蘇恒任書記，張大煜任所長兼煤炭室主任。

當張大煜領導實力雄厚的隊伍重新制訂研究合成燃料油等課題規劃時，他禁不住心潮澎湃。他認為選擇石油化學作為研究所的主要研究方向，使之逐步形成我國第一個石油煤炭化學的研究基地，方向是正確的。在我國天然石油資源尚未發現之前，合成燃料是急需的研究課題，因此他選擇了頁巖油高壓加氫和水煤氣合成人造石油兩大研究課題。此外，根據抗美援朝戰爭對于炸藥的急需，選擇了直鏈烷烴芳構化制甲苯的研究課題。由于全所研究人員的共同努力，這些研究課題都取得了很好的成果，其中“七碳餾分芳烴化合成甲苯”以及“熔鐵催化劑用于流化床合成液體燃料的研究”曾獲1956年國家科學三等獎。

大連的煤炭研究是從1951年開始的。張所長針對我國豐富的煤炭資源急待合理開發利用、特別是三大鋼鐵基地（鞍鋼、武鋼、包鋼）建設急需煉焦煤基礎數據的現狀，不失時機地提出以煉焦為主的煤化學研究方向，并把組建煤炭組的工作列入他的第一議事日程。當時的煤炭組成員王祖侗、裘維剛、楊煌、吳奇虎、張芷等，就是在張所長的親自指導下開展工作的。煤炭組在很短的時間內，建立了煤質分析方法，仿制了膠質層測定儀，建立了2kg、5kg小焦爐，取得了一批可靠的實驗數據，為我國煉焦煤地質勘探和配煤方案提供了科學依據。

在完成任務的同時，也為石油工業部門培養了大批科學技術研究人員。張大煜從實踐中認識到，一個研究所必需具有良好的學風，才有生命力，尤其是要有民主的學術氣氛。作為所長，必須能容納不同意見，支持新生事物，才能發揮大家的積極性和創造性。為了發揮集體智慧，形成學術領導中心，大連石油所于1955年9月在中國科學院第一個成立了所“學術委員會”。經過10年的發展，建成了包括催化、近代分析、化工等學科的近千人的大型研究所。

提出表面鍵理論

在完成國民經濟重大研究課題的同時，張大煜也很重視基礎研究。50年代初期開始，他就致力于工業上廣泛使用的催化劑擔體研究。人們將催化劑比喻為化學變化中的“點金石”，而催化理論是尋找“點金石”的“魔棒”。建國10年來，在石油煉制、人造燃料等大量的實踐基礎上，1960年張大煜在上海召開的中國科學院學部大會上作了《多相催化研究中的表面鍵理論研究》的學術報告。而國際上表面鍵理論直到70年代隨著新的表面物理實驗方法在催化研究中的應用才逐步形成。當時，我國催化研究狀況正如1959年在第一屆全國催化學術報告會議上吳有訓副院長所談及的那樣：“我們不僅已能仿制和掌握國外成熟的催化劑和先進技術，而且對國外處于探索階段和初露苗頭的催化劑研究，也能根據國家需要，集中力量在短期內取得突破”。張大煜感到在新形勢下需要盡快加強催化理論研究，為催化劑研制工作持續發展創造條件。但是，張大煜發展表面鍵理論的歷程并不平坦。

早在中華人民共和國成立前，張大煜即對催化過程深感興趣，在國民經濟恢復時期，石油研究所內主要接受應急任務，基礎工作還相當薄弱，他當時親自兼任一個課題組長，從物理吸附開始逐步開展有關催化基礎研究，首先利用日本人留下的一些玻璃活塞和真空泵，建立了國內最早的兩套BET真空吸附裝置，又專門請玻璃細工劉興信（后來任副總工程師，成為玻璃吹制技術專家）來所工作。在國內首先試制成功了真空活塞、石英彈簧以及高真空擴散泵。1955年制成壓入水銀測孔儀，配合其它大型儀器的建立，初步具備了催化基礎研究條件。1953年開始催化劑物性的測定；以后又進一步開展了催化反應機理和動力學的研究，在工業催化劑載體的物理化學結構對催化劑活性關系研究中發現載體（如硅膠、氧化鋁、活性碳、硅藻土等）對催化劑有重要影響。1955年，在鈷催化劑制備中發現鈷硅復合物含量不同時會強烈地影響催化劑的還原和空隙結構。由于水煤氣合成反應受擴散控制，因而孔結構會強烈影響催化劑的活性、熱穩定性和壽命，從而提出了催化劑制備時對孔隙結構的控制問題。在此基礎上還研究了水煤氣合成熔鐵催化劑的還原和生成孔隙結構問題，1957年開始化學吸咐的研究，在上述鈷催化劑上闡明了氫氣、一氧化碳吸附與反應性能間的關系。此外還從化學吸附等壓線等實驗事實出發歸為甲、乙、丙三種吸附類型，討論了表面不均一性所產生的能量圖譜，并推論丙型吸附可能與反應活性的關系密切，加上以后大量催化實驗事實的積累和對文獻中日益增多的數據的總結，逐漸形成“表面鍵”理論。

催化反應特點，在于至少反應物之一與催化劑表面發生了作用而形成“化學吸附鍵”，此鍵在本質上與化學鍵相同，而又區別于一個分子內的化學鍵。由于催化劑表面所固有的或誘生的不均一性所形成的表面鍵在鍵角、鍵長與鍵能上會有很大的不同，從而形成一個表面鍵譜圖。強表面鍵是弱表面鍵存在的基礎，不強不弱的鍵在反應中起主要作用，較弱和較強部分都困難于活化而不易發生反應。如何得到表面鍵譜圖以預言催化劑活性，這是表面鍵理論要解決的關鍵問題。1962年組織開展這一工作時，微觀的表面測試工具，有的尚在初期應用階段（如紅外光譜），有的仍在研制（如各種能譜儀），因而測量表面鍵譜尚有困難。當時還進行了鉑、鎳催化劑上吸附一氧化碳的紅外光譜研究，以期從微觀角度接近表面鍵問題，1964年后他又提出了表面振子模型如何發展，覆蓋度與表面鍵有什么規律，如何溝通催化劑微觀和宏觀的表征參數等比較深入和具有吸引力的研究課題。

為改變我國化肥工業的落后面貌，1965年，他親自領導了由研究、設計、生產三方面組成的合成氨燃料氣凈化新流程三個催化劑攻關任務，并在研制催化劑的關鍵技術上發揮了重要的指導作用，使新流程的研制工作只用了一年多時間便在工業上獲得推廣應用，被國家經委、科委譽為協作攻關成功的典范，獲1978年全國科學大會獎。

科學組織工作中的遠見卓識

張大煜十分重視從實際中提出應用性很強的課題，也安排必要和可能的基礎研究。在集中力量開展石油化學的研究中帶動了催化和色譜兩門學科的發展，并在國內形成了自己的特色，為后來的發展奠定了良好基礎。早在1956年制定12年科學技術發展遠景規劃時，周恩來總理一再提出科學院要十分注意基礎研究，建國10年來，張大煜在完成應用研究任務過程中一再感到基礎研究是一個薄弱環節，此時產業部門石油化學研究隊伍業已成長，為避免研究工作中的重復，并提高研究水平，1960年，張大煜提出了表面鍵理論，以加強基礎研究。

1961年11月，大連石油研究所正醞釀改名為化學物理所時，所內一度思想比較混亂。張大煜和當時的所黨委書記白介夫一起，在發揚民主、集思廣益的基礎上，明確了化學物理所的方向和任務、主要發展的科學領域（催化、色譜、燃燒和動力學，金屬有機、化工和物質結構組成綜合的研究力量和建立強有力的技術系統），并制定出化物所的長遠規劃，這對化物所成立后的建設和發展起了十分重要的作用。在此期間，張大煜總結出科學組織工作中的6大關系：①處理任務和學科的關系，以任務帶學科，學科的發展促使為國家解決更多更大的任務；②挑選任務和課題應以國家“最重要”的為前提，本著我們“最合適”的尺度，嚴肅靈活地挑選；③“趕與超”、“遠與近”、大與小”等關系；④集中與分散的關系；⑤學術民主與學術領導兩方面的統一關系，就是領導、專家、群眾三結合；⑥處理專業研究和設計、生產單位的關系。張所長很會用人，但是他從不把意見強加于人，而是循循誘導，自己決定。研究所的方向任務是非常重要的。

在蓬勃開展工業學大慶的群眾運動中，化物所進入了一個空前的全盛時期，1966年初被中國科學院和中共中央東北局樹為大慶式的“紅旗單位”。郭沫若院長和國家科委韓光等領導都曾到化物所進行考察。郭沫若還寫了《水調歌頭》一闕以示嘉勉，其下闕云：“出成果，驅虎豹，御熊羆，趕超任務，重擔爭挑樂莫支。攻破尖端堡壘，滿足國民經濟，接力把山移，永蓄愚公志，長頌冬云詩。”

1972年，他獲悉美國科學家發明了丙烯氨氧化催化劑，在此啟發下，1973年他提出了建立“催化劑庫”的建議，組織力量對國內外各種類型的工業催化劑開展規律性的研究。這個建議得到研究人員和中國科學院領導的支持。他還寫成國外工業催化劑的研制中“理論走在前頭”的成功的10例提綱，意在科研人員中引起學術討論，加強學科建設和基礎研究。

張大煜晚年還熱情支持開展新的科學領域的研究，如磁場對化學反應影響等基礎研究，他看到膠體界面科學在三次采油中的重要作用，熱情關心并支持強化采油中界面現象這一新的研究領域的開拓，直到他病逝之前，仍然為恢復和發展表面鍵的研究而嘔心瀝血。