憂天下之憂 為未來耕耘
——記四川大學化學工程學院教授印永祥

□ 張藝璇

參加四川大學120周年校慶

專家簡介：印永祥，四川大學化學工程學院二級教授、博士生導師，歐洲科學技術委員會項目評審特聘專家。早年從事受控核聚變等離子體理論和實驗研究工作，后致力于綠色化工、等離子體化工等方向的研究，成功開發出應用于化工過程的熱等離子發生器和反應器，并推廣至國內科研院所和企業應用。先后在Progress of Energy and Combustion Science、Journal of CO2 Utilization、《催化學報》等國內外專業頂級期刊發表論文70余篇，獲省部級科技進步獎二等獎和三等獎各1項。

自19世紀的產業革命以來，化石燃料備受各國工業生產青睞，開采及消費量一路飆高。時至今日，煤炭、石油、天然氣等化石能源的消耗量仍高居不下。化石能源的大量采用帶來了人類社會的巨大進步，同時由此帶來的能源危機和氣候生態變化也悄然而至。

借助自然的饋贈，太陽能、風能、水能等可再生能源的開發應運而生，然而這些能源總是以電能的形式獲取并服務于人類社會。“電能不能提供化學工業所需原料，不足以驅動、支撐整個社會的發展，人們的日常生活還需要具有化石能源特色的資源。” 在指出化石資源對社會發展的必要性的同時，印永祥還強調“化石燃料的大量使用，已經引起了大氣中二氧化碳濃度遠超出生態安全標準”。此情此景，究竟該如何化解能源危機，拯救地球生態環境于水火之中？印永祥選擇了利用熱等離子技術這種獨特方法轉化二氧化碳，將可再生物理能源轉化為化學能，走上“類化石”物質的研究之路。

碳中性的能源結構

能源是保障生物生存及人類社會前進的重要物質基礎。人類對于能源的使用發展歷史，印永祥表示可大致分為3個階段。“草木能源，化石能源和可再生能源”。在人類文明時代開啟以前，地球生物皆是被動享用太陽能源。火種的發現使人類進入初級文明，開啟了主動使用木頭、野草燃燒取暖、做功的時代。隨著社會和人類的不斷進步，工業革命把化石能源引領到歷史舞臺，蒸汽機轟響與社會生產力發展并駕齊驅。當面對化石能源危機和二氧化碳導致的氣候生態變化時，人們又轉而尋求水能、風能、太陽能等可再生清潔能源。

可再生能源雖然在清潔性、長久性方面更勝一籌，但也存在著不可忽視的問題。“可再生能源只能提供能量，不能提供化學工業原料，難以大規模儲存，而且其生產具有極強的時間和空間局限性。”印永祥解釋道，“例如太陽能、風能分布對地域和季節有著極強的依賴性，只能以電的形式獲取，需要大規模儲存與輸送到終端用戶。即便未來社會可以實現完全靠電能驅動，現今基于使用化石能源的生產方式和社會基礎設施也將遭受巨大的變革，由此帶來的變革成本則是無法估計的。”

化石能源是依靠自然的力量、經過漫長的時間積淀而形成。在陽光的作用下，空氣中的二氧化碳和水最終轉化為石油、天然氣等能源物質。基于對化石能源構成、來源的認識，科學研究人員提出了以人工介入的方式，以電能為代價，將二氧化碳和水轉化為類石化能源產品。“將電能轉化為化學物質為未來社會提供方便運輸、儲存和使用的原燃料，是未來社會必須面對的問題，也是提前布局、應對石油、天然氣日益枯竭的戰略問題。”正是受到該思路的啟發，印永祥決定投身到一場能量轉化的戰役當中。

針對化石能源危機及大氣中二氧化碳濃度不斷升高現狀，印永祥選擇了在近期內以二氧化碳、煤炭、天然氣和水為原料；遠期以二氧化碳和水為原料制備碳烴物質的研究方向，以期實現二氧化碳減排和“類化石”燃料人工合成。“從科學原理上講，從空氣中捕集二氧化碳，用電能將二氧化碳轉化為一氧化碳，通過電解水制氫氣，進而以一氧化碳和氫氣為原料可以合成現今人們習以為常的各種化學品和燃料。”印永祥表示，加以可再生能源電能或物理能源驅動，過程將呈現二氧化碳和水→碳烴燃料→碳烴燃料燃燒后重新生成二氧化碳和水的循環，真正意義上實現二氧化碳零排放，形成碳中性的能源消費結構。

力促轉化難題的解決

在英國牛津大學國際會議上作報告

運用獨特方法的碳循環能夠真正達到零碳增加，從理論層面和應用價值而言，不僅能夠一勞永逸地解決化石能源逐漸枯竭帶來的液體燃料匱缺問題，而且可以永久性地提供人類發展必須的有機化工原料。然而長久以來，電解水制備氫氣的工藝雖已基本成熟，但如何將二氧化碳高效轉化為一氧化碳的難題仍橫亙在科研人員面前。

“當前，國際上轉化二氧化碳的研究主要集中在兩點：工程上可行與經濟上可行。如果技術能夠實現轉化但卻不足以推廣放大，不能滿足成千上萬噸的生產，它也就喪失了價值。同樣，工程上可以實現，但經濟代價過于龐大也是不可取的。”在印永祥看來，工程化和經濟可行性主要體現在二氧化碳的轉化率、轉化過程中的電能消耗等層面。通俗地講，眼下亟待解決的是如何低成本、高效率地實現二氧化碳轉化一氧化碳。

經過充分的文獻調研，印永祥了解到，二氧化碳在溫度高于3000開爾文的情況下通過熱裂解可實現高于70%的理論轉化率，而熱等離子體技術完全可以滿足該高溫要求。剩下的問題便在于裂解氣流出等離子體發生器時，該如何避免逆反應的發生，以獲得高效的實際轉化率。通過動力學模擬，印永祥及其團隊獲得了一大批理論數據，并由此開展了熱等離子體裂解二氧化碳的開創性實驗研究。

要想達到二氧化碳的高轉化率，以及制備過程中高度的能量效率，關鍵之處在于快速急冷裂解氣或快速消耗裂解氣中的自由氧。為此，印永祥率團隊成員利用超音速氣動物理急冷、焦炭化學急冷等技術，分別與熱等離子體聯用開展實驗驗證。“我們分別設計了以拉法爾噴管進行物理急冷、焦炭為化學急冷劑作用于熱等離子體二氧化碳裂解氣的實驗。多次重復實驗，最終實現了二氧化碳轉化率提升至95%，過程能量效率提高到81%的實驗結果。”印永祥自豪地說道。

在談到相關技術原理時，印永祥指出：“采用電弧放電的熱等離子體很容易將二氧化碳裂解為一氧化碳、氧原子和氧氣，其中的氧原子和氧氣與碳發生部分氧化會生成新的一氧化碳。部分氧化產生的熱量又被用來促進剩余的二氧化碳與焦炭反應，繼續生成一氧化碳，這樣就大大提高了過程中的一氧化碳收率和電能效率。”

與畢業生在一起

從數據對比而論，印永祥課題組獲得的二氧化碳轉化率及能量效率，較之國際同類研究有著鮮明的優勢。“可以清楚地看到，我們研究中的二氧化碳轉化率幾乎達到100%。以轉化的二氧化碳計，一氧化碳的收率則為200%，過程能量效率也達到81%，這是遠優于目前世界同類研究所得結果的。”用數字說話，印永祥對熱等離子體高效轉化二氧化碳表現出十足的信心。一系列實驗結果獲國際同行贊譽，相關技術也被認為在能源領域具有廣泛的發展潛力和市場競爭力。

始終如一地聚焦能源問題

對于能源技術的探索似乎貫穿了印永祥的科研生涯，而等離子體研究自然是其中的重頭戲。1928年，美國科學家歐文·朗繆爾和湯克斯首次將“等離子體”引入物理學。作為一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態，等離子體常被視為物質的第四態，廣泛存在于宇宙之中。它是物質的高能態形式，因此成為了材料、能源、信息、化工等科學研究創新發展的新方向。

在能源研究的范疇內，受控核聚變之于國家戰略發展有著非比尋常的意義。出生于1955年，經過了“文化大革命”，印永祥從上山下鄉的浪潮中走了出來。“1977年，國家做出了恢復高考的決定。由于我在下鄉期間及工人階段一直堅持學習，閱讀了許多數理化書籍和哲學著作，所以以初中畢業的身份順利地考上了四川師范學院（現今四川師范大學）物理系。”印永祥回憶道。他表示，自己最初本是抱著日后教書育人的信念開展學習，然而時至1982年，受國家“兩彈一星”的影響，考取了當時國家最大的受控核聚變基地——核工業西南物理研究院，正式與核聚變與等離子體物理專業結緣。

“那時候，感覺核研究是一件崇高、神秘的事情。而我的專業就是圍繞氫彈的反應原理——氫氘反應展開，希望通過受控核反應使能量的放出緩慢進行，使得反應不再具備危險性。”在那段時間里，印永祥積極投入到核聚變、裂變混合堆的最新物理研究中，參研和主持的項目分別獲得原核工業部科技進步獎二等獎、三等獎。

20世紀90年代，國際形勢發生重大變化，包括美國在內的世界多國削減受控核聚變研究經費。我國正處于改革開放初期，經濟建設被視為國家發展的首要任務。為適應國家規劃布局，印永祥從受控核聚變等離子體理論研究轉型，向更側重于工業應用的等離子體化工、綠色化工等方面靠攏。“我們研究工作的最大特色在于用等離子體為反應體系提供活化能。”入職四川大學，從事等離子體化工研究多年，印永祥率課題組先后于Progress of Energy and Combustion Science、Journal of CO2 Utilization、International Journal of Hydrogen Energy、Catalysis Today、IEEETransactions on Plasma Science等國內外刊物上發表SCI論文70余篇。

尤為值得一提的是，在大力促進等離子體與能源的交叉學科研究的同時，印永祥還長期兼顧與環境領域相關的光伏太陽能發電研究。“光伏太陽能發電需要多晶硅材料，而制備多晶硅是一個高污染的化學過程，最終形成的高聚氯化物問題長期沒有得到解決。”經過幾年的不懈努力，印永祥所在課題組成功開發了綜合利用多晶硅生產過程的高聚物技術并實現了工程化應用，為我國全面達成多晶硅制造綠色化、安全化生產提供了技術支撐。

從受控核聚變研究到等離子體化工、綠色化工，在印永祥看來，科學研究均具有一種普遍的規律，即需要廣博堅實的理論基礎，敏銳的洞察能力和鍥而不舍的堅持。“研究本身實際上就是在探尋不同的未知。作為一個職業科技工作者，總會遇到困難并想辦法克服。”正是因為明確、積極的心理認知，印永祥并未感覺到工作帶來的沉重壓力，反而十分享受挑戰的過程。他表示，堅實的理論基礎是科學工作者的素質，敏銳的洞察力使其思想永葆活力，鍥而不舍的精神是成功的保證。

在接下來的規劃中，印永祥仍會以等離子體高效轉化二氧化碳技術研究為重點，會進一步統籌其全壽命周期降低成本，盡快開發相關工程化應用裝置。作為一名傳道解惑者，他對青年人的培養寄予殷切希望，表示會將自身經驗毫無保留地傳遞給青年學者和學生。與此同時，他也期望看到年輕的科技工作者可以多元化地開闊視野，靜下心來苦練“內功”和鍥而不舍地堅持自我。“既然選擇將科學研究作為一項職業，從業者就必須要對時間有敬畏之心，在科學的道路上不斷攀登，即使未能到達光輝的頂點，也勢必為后來的攀登者留下腳印。”