催化技術(shù)是化學(xué)工業(yè)相關(guān)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。90%以上的化學(xué)品、80%以上的化工工藝過程都與催化有著密切的關(guān)系。催化領(lǐng)域的創(chuàng)新研究一直以來都是化工行業(yè)創(chuàng)新的核心工作之一。
2023年12月6日，走遍中華，尋訪“匠”人“匠”室——“島津中國(guó)行”活動(dòng)來到有著東北明珠之稱的千年古都——遼寧沈陽，與沈陽化工大學(xué)分析測(cè)試中心主任丁茯教授一起，分享了“化工的發(fā)動(dòng)機(jī)”——催化的發(fā)展現(xiàn)狀與展望，以及沈陽化工大學(xué)的前沿科技和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。
丁茯教授目前任職于沈陽化工大學(xué)，是校分析測(cè)試中心主任，化學(xué)工程學(xué)院教授。同時(shí)，她也是比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)的客座教授。
她的研究方向主要集中在催化劑的開發(fā)與應(yīng)用；化工生產(chǎn)相關(guān)工藝的開發(fā)和改進(jìn)；以及儀器設(shè)備研發(fā)、分析檢測(cè)技術(shù)開發(fā)等方面。在催化劑開發(fā)應(yīng)用方面，其課題組一方面在光催化領(lǐng)域開展了稀土-貴金屬功能材料的合成、制備與催化應(yīng)用研究，開發(fā)的納米光催化劑在光催化分解有機(jī)污染物和光催化分解水制氫方面有良好的催化效果和進(jìn)一步深入研究的前景，獲得遼寧省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)；另一方面，開發(fā)了國(guó)內(nèi)外首例無Cr環(huán)保型糠醛高效氣相選擇加氫的催化劑，并成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在國(guó)內(nèi)糠醛加氫催化劑市場(chǎng)上占有重要位置。在儀器研發(fā)方面，其針對(duì)高溫高壓快速反應(yīng)分析研究中極少涉及樣品在線快速伺樣的現(xiàn)狀，開展了適用于高溫高壓條件下微型反應(yīng)器粉末在線快速伺樣技術(shù)及部件的研究，解決了此類反應(yīng)特性研究手段的缺失；在環(huán)保領(lǐng)域，她承擔(dān)了基于氣體擴(kuò)散采集分離技術(shù)與ICP-MS聯(lián)用的大氣重金屬在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)的專項(xiàng)，為大氣重金屬在線監(jiān)測(cè)，特別是突發(fā)性污染事故的應(yīng)急監(jiān)控，提供了全新、高效的手段。
高精度高通量在線系統(tǒng)
助力大氣重金屬監(jiān)測(cè)
2023年，丁茯教授榮獲第十三屆“遼寧省優(yōu)秀科技工作者”稱號(hào)，代表性項(xiàng)目為科技部國(guó)際合作重大專項(xiàng)“基于氣體擴(kuò)散采集分離技術(shù)與ICP-MS 聯(lián)用的大氣重金屬在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)”。
丁茯教授介紹，“眾所周知，大氣重金屬污染有兩個(gè)特點(diǎn)。一個(gè)是不可降解性，另一個(gè)是富集后檢測(cè)的滯后性。” 大氣顆粒物可吸附大量的重金屬污染物，這些重金屬污染物通過呼吸進(jìn)入人體后，由于其不可降解，就會(huì)慢慢累積，累積到一定程度后就會(huì)造成各種人體機(jī)能障礙，引發(fā)各種疾病。因此，及時(shí)對(duì)大氣中重金屬的種類和含量進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估大氣環(huán)境質(zhì)量、判斷空氣環(huán)境對(duì)人體健康的影響，進(jìn)而實(shí)施大氣重金屬污染防治，特別是對(duì)突發(fā)性重金屬污染泄露事件的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理，在線監(jiān)測(cè)都是極為重要和必要的手段。
大氣顆粒物中重金屬的監(jiān)測(cè)方法很多，目前的方法大多需要人工或半自動(dòng)采集樣品后，運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。此類方法采樣周期長(zhǎng)，流程繁瑣，易產(chǎn)生污染干擾以及人為操作誤差。因此，縮短采樣時(shí)間，簡(jiǎn)化采樣流程，是環(huán)境科學(xué)工作者一直關(guān)注的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)。
丁茯教授的“基于ICP-MS的高通量高精度大氣重金屬在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”項(xiàng)目，通過解決前處理設(shè)備開發(fā)、模擬系統(tǒng)開發(fā)和后期校正因子計(jì)算等方面的困難，極大地提高了大氣重金屬檢測(cè)速度和在線檢測(cè)的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、準(zhǔn)確、真實(shí)的大氣重金屬在線監(jiān)測(cè)，有效彌補(bǔ)了我國(guó)大氣環(huán)境在線監(jiān)測(cè)的精密度和準(zhǔn)確度不足的技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)。
催化行業(yè)迎挑戰(zhàn) 三管齊下助創(chuàng)新
丁茯教授介紹，“催化是化學(xué)工業(yè)相關(guān)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此催化領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，也是我國(guó)化工領(lǐng)域發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。”
改革開放四十年來，我國(guó)已經(jīng)初步建成了一套完整的工業(yè)體系，化學(xué)工業(yè)整體規(guī)模已經(jīng)躍居世界第一，農(nóng)藥、染料、涂料等多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的產(chǎn)品產(chǎn)量也位居世界前列，但是高耗能、高污染、低附加值、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有待轉(zhuǎn)型等問題依然存在。因此，如何利用綠色催化技術(shù)去實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的綠色化、環(huán)�；蔀槟壳拔覈�(guó)化工工業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格的今天，為適應(yīng)環(huán)境友好型生產(chǎn)的需要，針對(duì)性開發(fā)新型高效環(huán)保型催化劑，從而解決化工生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重、能耗高、高端產(chǎn)品對(duì)外依存度高等瓶頸問題。同時(shí)，用于半導(dǎo)體等電子領(lǐng)域的功能性精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)，特別是高端產(chǎn)品領(lǐng)域，我國(guó)并未占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，未來我國(guó)催化領(lǐng)域的發(fā)展方向之一將會(huì)是在此類產(chǎn)品領(lǐng)域中發(fā)力追趕。此外，生命科學(xué)成為眾多化工領(lǐng)先企業(yè)追逐目標(biāo)的趨勢(shì)亦早已顯現(xiàn)，催化劑開發(fā)的研究和應(yīng)用，也必然追逐這一趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。
總之，我國(guó)化工行業(yè)，特別是催化行業(yè)的發(fā)展，將逐步從產(chǎn)品導(dǎo)向型向解決方案導(dǎo)向型轉(zhuǎn)變。
島津傾力合作 加速技術(shù)轉(zhuǎn)化
目前，沈陽化工大學(xué)分析測(cè)試中心使用的設(shè)備中，從XPS到紫外、從元素分析到組分和性能分析，都有島津設(shè)備的身影。“由于我們中心是校級(jí)平臺(tái)，同時(shí)也是遼寧省和沈陽市共享服務(wù)的先進(jìn)單位。不論是校內(nèi)師生的科研攻關(guān)，還是上千家橫向課題合作單位的分析測(cè)試需求，從分析測(cè)試中心出具的測(cè)試數(shù)據(jù)中，都應(yīng)用到了島津設(shè)備。島津分析儀器所提供數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度、精密度、重現(xiàn)性，儀器系統(tǒng)自身的可操作性、人性化設(shè)計(jì)等，都受到校內(nèi)師生和合作單位的認(rèn)可和好評(píng)。”
丁茯教授分享了兩個(gè)例子。
第一， 在與沈陽當(dāng)?shù)仫暳掀髽I(yè)的合作中，需要精確檢測(cè)飼料中維生素含量，從而評(píng)估和保障家禽畜的健康和營(yíng)養(yǎng)狀況。但是，常規(guī)的維生素檢測(cè)方法靈敏度低、特異性差、通量小，難以實(shí)現(xiàn)多種維生素的同時(shí)測(cè)定。“通過文獻(xiàn)的查找和自身經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，我們最后確定使用島津的三重四級(jí)桿高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜來進(jìn)行工作。”島津三重四級(jí)桿高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜不僅可以搭載常規(guī)ESI離子源和APCI離子源，也可使用DUIS離子源同時(shí)進(jìn)行ESI和APCI兩種離子化過程，豐富多樣的配置可實(shí)現(xiàn)全譜維生素的高靈敏度檢測(cè)，克服了以往方法的諸多缺點(diǎn)，具有高靈敏度、強(qiáng)抗干擾能力和超快掃描速度等性能優(yōu)勢(shì)。在這個(gè)項(xiàng)目開展過程中，從儀器設(shè)備配置到后期樣品前處理，以及分析檢測(cè)方法的開發(fā)和確定，島津技術(shù)工程師都給出了非常有價(jià)值的建議，幫助項(xiàng)目如期完成。精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果，為家禽畜的健康養(yǎng)殖、為百姓的餐桌的營(yíng)養(yǎng)安全保駕護(hù)航。
第二， 在學(xué)校開發(fā)的生產(chǎn)生物柴油的催化劑的催化效率和催化產(chǎn)品評(píng)價(jià)工作中，利用島津的高效液相色譜法（HPLC）對(duì)柴油添加了不同濃度的廢棄食物油甲酯和棕櫚油脂肪酸甲酯（FAME）和甘油三酯進(jìn)行分析。由于試樣含有多種成分，脂肪酸甲酯和甘油三酯會(huì)出現(xiàn)峰值增寬和扭曲的現(xiàn)象，使分析結(jié)果變得難于判斷。這些問題都通過島津數(shù)據(jù)處理軟件的分組功能進(jìn)行量化分析而順利解決，從而為生物柴油催化劑的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化做出了重要支撐。
展望未來 潛力無限
沈陽化工大學(xué)分析測(cè)試中心是全國(guó)高校中較早建設(shè)的校級(jí)分析測(cè)試中心。從80年代末發(fā)展到今天，已經(jīng)發(fā)展成為一所集教學(xué)、科研、服務(wù)為一體的綜合性分析測(cè)試中心。沈陽化工大學(xué)面向國(guó)家和區(qū)域重大戰(zhàn)略需求，創(chuàng)新提出的內(nèi)構(gòu)件移動(dòng)床熱解技術(shù)、菱鎂輸送床閃速輕燒技術(shù)、生物基杜仲膠航空輪胎生產(chǎn)、寬溫結(jié)構(gòu)化脫硝催化劑開發(fā)及其在工業(yè)窯爐煙氣深度凈化中的應(yīng)用等技術(shù)都有著分析測(cè)試中心的參與，為我國(guó)落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)雙碳目標(biāo)達(dá)成做出了分析工作者的努力。
談到對(duì)島津的期望，丁茯教授說道，“未來中心計(jì)劃與島津建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合培養(yǎng)更多具有高水平專業(yè)能力的化工人才，共同推進(jìn)科研成果的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，為我國(guó)化學(xué)工業(yè)建設(shè)和發(fā)展做出老牌化工高校應(yīng)有的貢獻(xiàn)。”
