?????催化加氫反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)中最為重要的反應(yīng)之一。項(xiàng)目以Pd/C、Pt/C等傳統(tǒng)的炭負(fù)載型加氫催化劑為出發(fā)點(diǎn),針對(duì)該類(lèi)催化劑制備過(guò)程復(fù)雜、載體穩(wěn)定性差、納米金屬易流失和團(tuán)聚等問(wèn)題,在國(guó)際上較早提出了利用氮摻雜的多孔炭作為新型載體來(lái)穩(wěn)定納米金屬并提高催化劑活性的催化劑設(shè)計(jì)思想,先后開(kāi)發(fā)了多種氮摻雜多孔炭的制備方法,大幅度地提高了炭負(fù)載型催化劑在使用過(guò)程中的活性及穩(wěn)定性。
?? 課題組和浙江新和成股份有限公司開(kāi)展了緊密的產(chǎn)、學(xué)、研合作,針對(duì)維生素產(chǎn)業(yè)鏈中典型的催化選擇性加氫反應(yīng),對(duì)炭負(fù)載型催化劑催化活性位點(diǎn)進(jìn)行了有效地調(diào)控,開(kāi)發(fā)了一系列的碳基復(fù)合催化材料,多項(xiàng)研究成果實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用,尤其在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了氮摻雜炭材料負(fù)載的納米Pd催化劑的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,拓寬了碳基材料的應(yīng)用范圍。這些前沿催化技術(shù)的研發(fā)與大規(guī)模應(yīng)用極大地增強(qiáng)了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力,為企業(yè)的節(jié)能減排工作做出了積極貢獻(xiàn),產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,促使合作企業(yè)浙江新和成股份有限公司成為世界三大維生素生產(chǎn)商之一,2016年起合作企業(yè)浙江新和成股份有限公司維生素E產(chǎn)量更是超越BASF成為世界第一。
科學(xué)解讀
??? 受蝙蝠啟發(fā),人們發(fā)明了雷達(dá)聲納;受鳥(niǎo)翼啟發(fā),人們制造出了滑翔機(jī);受魚(yú)鰾啟發(fā),人們打造了潛水艇升降結(jié)構(gòu)……來(lái)源于生活,又運(yùn)用于生活,這便是科研對(duì)于社會(huì)進(jìn)步的巨大推動(dòng)力。在浙江大學(xué)化學(xué)系催化所,研究人員受到饅頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的啟發(fā),開(kāi)展了“基于碳氮材料納米催化劑的制備及應(yīng)用研究”,為我省醫(yī)藥化工轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新動(dòng)能。?
?? 談及化工,人們總會(huì)將“高污染、高毒性”等詞語(yǔ)與之聯(lián)系起來(lái)。不過(guò)近年來(lái)“綠色化工”概念的提出,要求從工藝源頭上就運(yùn)用環(huán)保的理念,使化學(xué)工業(yè)環(huán)境污染的治理由先污染后治理轉(zhuǎn)向從源頭上根治環(huán)境污染。
改革開(kāi)放以來(lái),浙江醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)依靠體制、機(jī)制的先發(fā)優(yōu)勢(shì),克服了復(fù)雜多變的國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),成為浙江省重要的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。不過(guò)即便如此,面對(duì)環(huán)境友好、節(jié)能減排等壓力,近年來(lái)我省醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)仍然面臨著十分巨大的轉(zhuǎn)型升級(jí)壓力。
醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)如何轉(zhuǎn)型升級(jí)?在王勇教授看來(lái),針對(duì)制藥工藝中催化劑的設(shè)計(jì)儼然成為了決定行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)成功與否的關(guān)鍵?;钚蕴炕蛘叨嗫滋吭诨瘜W(xué)工業(yè)中常被用作催化劑載體,但是活性炭地域差異大,孔道主要是微孔,作為載體負(fù)載得到的催化劑催化效率低、納米金屬容易流失,從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本高,環(huán)境污染嚴(yán)重。課題組通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列的氮摻雜多孔炭材料作為新穎的載體,利用電負(fù)性的氮和金屬之間的相互作用,提高了納米金屬在炭載體上的分散度以及催化劑的抗燒結(jié)與抗流失能力,從而大幅度提高了納米金屬的催化效率,并且簡(jiǎn)化了后續(xù)分離過(guò)程。該研究也得到了浙江省自然科學(xué)基金的大力支持。
受饅頭內(nèi)部星宿結(jié)構(gòu)啟發(fā)解決催化劑載體制備難題。據(jù)王勇課題組的研究發(fā)現(xiàn),以具有多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的氮摻雜炭材料作為載體,負(fù)載納米金屬后制成的新型催化劑,不僅顯著地提高了催化效率,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多次回收利用,在成本上得到了有效控制。如在維生素H合成的一步加氫反應(yīng)中,相比于傳統(tǒng)的鈀炭催化劑,新型催化劑中貴金屬的使用量下降了80%,同時(shí)可回收利用15次以上,大幅度地降低了生產(chǎn)成本。
不過(guò),要想從納米尺度甚至是原子、分子尺度對(duì)催化劑進(jìn)行調(diào)控可不容易,為此課題組可謂絞盡了腦汁。改變材料結(jié)構(gòu)、改變材料特性、提升金屬附著力……從項(xiàng)目立項(xiàng)以來(lái),王勇帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)做了不下百次實(shí)驗(yàn),但始終未能有效突破,直到有一次早餐桌上的啟發(fā)。
“經(jīng)過(guò)多次改良后,課題組仍未有大的突破,讓所有人都略顯沮喪。不過(guò)一次早餐時(shí)偶然掰開(kāi)饅頭受到的啟發(fā),改變了整個(gè)局勢(shì)?!蓖跤禄貞浾f(shuō),在經(jīng)過(guò)小蘇打發(fā)酵過(guò)后蒸出來(lái)的饅頭,內(nèi)部形成了不規(guī)則的蜂窩孔道結(jié)構(gòu),為什么我們的材料不能向饅頭“學(xué)習(xí)”呢?
帶著從餐桌上得到的啟發(fā),王勇和課題組成員回到實(shí)驗(yàn)室第一時(shí)間著手實(shí)驗(yàn),開(kāi)發(fā)了用碳酸鹽替代傳統(tǒng)火堿作為助劑,利用物理膨脹結(jié)合化學(xué)活化的方法,實(shí)現(xiàn)了從原始生物質(zhì)如竹子、椰殼等一步法制備得到同時(shí)含有豐富大孔、介孔及微孔的多級(jí)孔炭材料。實(shí)驗(yàn)證明,這些具有與饅頭內(nèi)部類(lèi)似的多級(jí)孔道材料,是優(yōu)異的納米金屬載體材料,同時(shí)該方法原料廉價(jià)易得,添加劑便宜,方法簡(jiǎn)單,可持續(xù)性強(qiáng),極具規(guī)?;a(chǎn)的潛力。
??? 如今,王勇的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)邁入了產(chǎn)業(yè)化的第一步,在與浙江新和成等企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研合作中,結(jié)合企業(yè)節(jié)能降耗、綠色工藝的相關(guān)需求,將核心的催化劑技術(shù)與企業(yè)需求結(jié)合起來(lái),成功實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的快速轉(zhuǎn)型升級(jí)。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)
??? 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王勇教授2002年本科畢業(yè)于湘潭大學(xué),2007年獲浙江大學(xué)化學(xué)工程博士學(xué)位,先后在浙江大學(xué)化學(xué)系和德國(guó)馬普膠體與界面化學(xué)研究所從事博士后研究工作。2011年起受聘為浙江大學(xué)特聘研究員,2016年轉(zhuǎn)為教授?,F(xiàn)為浙江大學(xué)化學(xué)系催化研究所教授、博士生導(dǎo)師、催化研究所所長(zhǎng)。中組部“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才和國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者。所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)主要從事碳基納米催化劑開(kāi)發(fā)研究,致力于將碳基納米催化劑的前沿技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力,所開(kāi)發(fā)的多個(gè)催化劑在工業(yè)上得到應(yīng)用。先后負(fù)責(zé)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目5項(xiàng)、浙江省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目1項(xiàng)、浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Energ. Environ. Sci., Adv. Mater., ACS Catal, J. Catal.等雜志上發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,其中第一作者或通訊作者論文80余篇,包括J. Am. Chem. Soc. 5篇,Angew. Chem. Int. Ed. 3篇,Nat. Commun. 1篇,Energ. Environ. Sci. 1篇,Adv. Mater. 1篇,ACS Catal. 5篇,SCI引用6500余次,H-index 41。授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利20項(xiàng)。
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