李孔齋：做能源發展的“催化劑”

本刊記者 汲曉奇

21世紀什么最熱？現今時代發展什么最火？是智能科技、人體醫療、還是環境治理？說實話，這很難有一個準確的答案。

每一個時間節點，總有一個領域被推上風口浪尖，往復更替，新興產業迭起，接下來的未知沒有人可以精確地給出預測。但有一個領域，它長期占據世界熱點話題的地位，并且隨著時間發展，它的熱度仍居高不下，成為長遠型、持續性的關注焦點。它便是與人類生活息息相關，在社會經濟發展中不容忽視的能源資源問題。

“隨著石油資源的日益枯竭和環境污染的不斷加重，開發潔凈廉價的石油替代資源已成為各國競相研究的熱點。”昆明理工大學冶金與能源工程學院教授李孔齋，很早就預見性地投入到能源材料的研發工作之中，他對于利用轉化技術獲取高品質能源有著自己的認識，“甲烷是天然氣、煤層氣和可燃冰的主要成分，還可以通過生物質反應收集，是一種不可多得的能源材料。將它轉化為高品質且易于運輸的液態化學制品，不僅具有替代石油的潛力而且還可以為‘無碳或低碳能量鏈’的發展提供技術儲備。”李孔齋這個名字與甲烷的轉化、催化技術研究，逐漸產生了密不可分的聯系。

踩實前行路

2005年，李孔齋在鄭州大學讀完本科，告別了材料科學與工程專業，將陣地轉移到昆明理工大學，成為一名工學碩士生。3年時間很快度過，李孔齋在科研這片土地上耕耘，開始小有收獲。他的碩士論文被評為“云南省優秀碩士論文”，而他參與的“熔融鹽循環熱載體無煙燃燒技術的應用基礎研究”項目榮獲云南省自然科學獎二等獎。

在他參與下的國家自然科學基金項目——“熔融鹽中催化氧化天然氣制取氫氣的應用基礎研究”的成果展示書中，利用金屬氧化物的氧化還原能力，以晶格氧為氧源的循環制氣體系被詳盡地剖析。尤為值得一提的是，該項目結題的時候，他們還成功獲取了性能可靠的氧載體和系統運行系數。

到了2011年，李孔齋在昆明理工大學又走過3個春秋。同年7月，他由日方資助在日本名古屋工業大學展開博士論文課題研究。在結束了這一研究后，他回到了昆明理工大學冶金與工程學院任職，選擇將傳承的責任扛上肩頭。

2013年，李孔齋被破格晉升為教授。隨時間推移的，還有他從未放下的研究工作。在這些年里，不論是甲烷的催化材料構建，還是多功能催化材料的行為研究都被他納入了項目研究的范疇。埋首之際，與項目推進同步而來的是一個又一個的可喜回報：“鈰鐵復合氧化物制備與甲烷選擇性氧化制合成氣催化性能研究”等論文相繼在各大刊物上發表；蓄熱型化學鏈燃燒技術用復合氧載體及其制備方法等國家發明專利上烙印下他的名字；基于甲烷裂解和積碳選擇性氧化的兩步法制備合成氣新技術也在各項發現的簇擁之下，揭開了神秘的面紗……

攻堅技術 發展要塞

2017年9月22日，中國科學院海洋研究所發布一則消息：新一代遠洋綜合科考船“科學”號在我國南海海域首次發現裸露在海底的天然氣水合物，即可燃冰。這一振奮人心的消息不脛而走，引發討論熱潮。

近幾年我國提出了立足國內資源，提高能源利用效率，加大新能源與可再生能源開發力度，以保障經濟社會發展需求的倡議要求。作為可燃冰主要構成成分的甲烷，在時代格局下，被可持續發展趨勢賦予了極高的期望。它的利用率勢必關乎整體的能源發展效率，而它在轉化、使用過程中所需的催化技術，也將對改善資源品質、提高能源利用水平等方方面面有著不容忽視的作用。或者說，催化的支撐技術承擔了實現節能減排、資源循環利用，引領未來能源走向的關鍵任務。

那么，如何展開甲烷的催化工程？在其中，又有哪些不為大眾所知的技術難題等待揭秘？李孔齋結合他在2011年主持的國家自然基金項目做了詳細的介紹：“目前，甲烷的轉化方式主要有兩大類，即直接轉化和間接轉化。直接轉化主要是將甲烷一步合成為高碳鏈烴或含氧化合物，需要嚴苛的條件且轉化率低。從經濟角度考慮，以甲烷部分取代石油作為化學工業原料和燃料，最有效途徑是通過制取合成氣再進一步轉化的間接方法。而在這一過程中，也存在諸多問題亟需解決。”

間接方法轉化中，甲烷制合成氣的“造氣”工序成本高達全程成本的50%，嚴重影響了實現經濟高效的制備初衷。開發關鍵技術解決轉化困境成為科研人員長久以來的研發重點。經過多方考察，整合前人經驗，李孔齋將催化部分氧化法作為研究切入點。“催化部分氧化不同于水蒸汽重整、二氧化碳重整，能耗、生產成本及設備投資都比較大，它的反應是溫和的放熱過程，可以在高空速下進行，并且反應器體積小、效率高，生成的合成氣也可直接作為甲醇、二甲醚等物質的原料氣。”

即便集萬千優點于一身，催化部分氧化法還是面臨著各種研究困局。譬如，氧化過程需使用純氧，而制氧裝置的投資與運行費用昂貴；催化劑易燒結、積碳失活等。為此，李孔齋基于荷蘭、日本等學者提出的晶格氧部分氧化甲烷工藝，根據甲烷催化裂解和積碳（被氧氣）氧化可以在低溫度（≤700℃）下進行，且在催化劑配合下持續時間較長的這一特性，提出了一種在中低溫（500℃～700℃）條件下轉化甲烷制取合成氣的新思路。該方法將裂解與氧化分步進行，比較傳統甲烷裂解工藝，剔除了復雜的催化劑還原程序。

除此之外，考慮到一般使用二氧化碳和水等弱氧化性物種充當氧化劑，不僅效率低，反應積碳還不能完全被消除，從而影響裂解催化劑的循環利用等因素。或者進一步說，即便積碳能夠被高效率氧化，其產物也只會是二氧化碳，而并非人們希望得到的一氧化碳。對此，李孔齋講述了他在實驗中的有趣發現：“如果在鈰鐵和鈰鈷復合材料上，甲烷裂解的積碳，可以被空氣高選擇性地氧化為一氧化碳。而且，我們經過初步研究證實，反應溫度對于一氧化碳的生成影響很大。”這一發現無疑為創制具有甲烷裂解和積碳選擇性氧化雙功能的催化材料，奠定下堅實的基礎。其成果被國際催化領域的權威雜志

Journal of Catalysis 和Applied Catalysis B: Environmental、The Journal of Physical Chemistry C等錄用。“這是一個很有意義且值得深入研究的現象”，這是雜志審稿人給予的最中肯的評價。與此同時，針對熱量傳導和利用問題廣泛存在于各類反應過程當中，李孔智提出了將相變蓄熱技術應用于化學反應的新思路，以構筑核殼結構蓄熱功能化催化劑來解決固定床反應器中存在的氧載體床層溫度不均等問題。該概念的提出和深入研究在能量利用、涉及吸放熱反應的化工領域等方面逐漸形成新的關注點。李孔齋預測，隨著技術的不斷成熟，該設計思路可擴大推廣范圍實現太陽能熱分解制氫、化學鏈重整制氫、甲烷部分氧化等重要化工過程的搭建，為諸如熱源不穩定一類難題提供相關可執行辦法。目前，部分成果已在國際材料和能源化工領域的著名雜志Journal of Materials Chemistry A、Applied Energy、Chemical Engineering Journal、Chemical Engineering Science等發表。

運籌帷幄，方能決勝千里。遠眺未來藍圖，李孔齋已經做好迎接時代挑戰的準備。可以預見的是，他會帶領著團隊為能源發展注入一支強有效的催化劑。