走好“自主創(chuàng)新”路
——記第五屆“閔恩澤能源化工獎”獲得者閆瑞

文‖趙凌燕 陳子佩

閆瑞帶領(lǐng)團(tuán)隊攻堅木質(zhì)纖維素?zé)N類轉(zhuǎn)化技術(shù)，為早日實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用揮灑青春和汗水。

●閆瑞在生物質(zhì)高附加值轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)領(lǐng)域不懈探索。 供圖/中石化石科院

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。

作為中國石化生物能源化工領(lǐng)域的青年科技工作者，31 歲的閆瑞堅持扎根科研一線，2017 年碩士畢業(yè)進(jìn)入中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司（簡稱石科院）至今一直從事木質(zhì)纖維素基生物燃料、添加劑及化學(xué)品技術(shù)的研發(fā)。

近年來，他以助力國家“雙碳”政策、開發(fā)清潔替代能源為己任，聯(lián)合華東理工大學(xué)一起聚焦木質(zhì)纖維素的高附加值轉(zhuǎn)化和利用等關(guān)鍵領(lǐng)域，成功研發(fā)出了木質(zhì)纖維素的烴類轉(zhuǎn)化技術(shù)，為能源、化工和交通領(lǐng)域的低碳轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展提供了技術(shù)支撐。今年6 月，在第五屆“閔恩澤能源化工獎”頒獎典禮上，閆瑞被授予“青年進(jìn)步獎”。

“閔恩澤能源化工獎”是2013 年4月在閔恩澤院士的倡導(dǎo)下，中國工程院和中國石化聯(lián)合設(shè)立的，目的是推動我國能源化工領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。該獎設(shè)“杰出貢獻(xiàn)獎”和“青年進(jìn)步獎”兩類獎項，每兩年評選一次。

深種“自主創(chuàng)新”理念

21 世紀(jì)以來，作為綠色化學(xué)的開拓者，耄耋之年的閔恩澤開始關(guān)注生物質(zhì)能源，領(lǐng)導(dǎo)石科院科研人員探索研發(fā)生物質(zhì)的高附加值轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)。

閆瑞在石科院攻讀碩士學(xué)位期間，深受閔恩澤科學(xué)家精神的熏陶和鼓舞。

2014 年，石科院木質(zhì)纖維素高附加值轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)團(tuán)隊成立初始，閔恩澤經(jīng)常分享國內(nèi)外的最新研究進(jìn)展，并從原料可獲得性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟性等方面為課題團(tuán)隊甄選研發(fā)方向。

這一年，恰巧是閆瑞面臨碩士研究生選題之時。閔恩澤對生物質(zhì)能源研究方向的指導(dǎo)，引起了閆瑞極大的探索興趣，引領(lǐng)他走進(jìn)了這個全新的科研領(lǐng)域。

2015 年第二屆“閔恩澤能源化工獎”頒獎典禮時，病重的閔恩澤還在醫(yī)院通過視頻向獲獎人員表示祝賀并提出殷切期望，告訴大家自己病情已經(jīng)好轉(zhuǎn)，不必?fù)?dān)心。閔恩澤似乎從來沒有覺得自己的事業(yè)有一天應(yīng)該休止，哪怕生命可能停止，但自主創(chuàng)新的探索之路永無止境。

閔恩澤對科研的執(zhí)著，深深感動和鼓舞著閆瑞。他將“自主創(chuàng)新”的科研理念深種于心，并且暗自許下愿望，希望有一天自己也能在科研開發(fā)的征程中斬獲更多成果。

開發(fā)清潔替代能源

生物質(zhì)能，是自然界唯一含有碳源的可再生綠色能源。作為生物資源大國，我國每年約產(chǎn)生10 億噸農(nóng)林廢棄物，其主要成分為木質(zhì)纖維素。木質(zhì)纖維素的高附加值轉(zhuǎn)化和利用，對保護(hù)碧水藍(lán)天，實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，助力我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)具有重要意義。

研究生期間，閆瑞在導(dǎo)師陶志平和郭勇的啟發(fā)下，堅信生物航煤是當(dāng)前航空領(lǐng)域降碳的最有效途徑，可針對性地破解歐盟強制征收航空碳稅的困境。

雖然彼時，以廢棄動植物油脂為原料，通過HEFA 技術(shù)路線得到的生物航煤已完成商業(yè)載客飛行。閆瑞調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)廢棄動植物油脂潛在量僅約400 萬噸/年，還要同時用于生物航煤、生物柴油和油脂化學(xué)品等生產(chǎn)，而國內(nèi)對航空燃料需求量高達(dá)4000 萬噸/年，勢必?zé)o法長期支撐起國內(nèi)可持續(xù)航空燃料的供應(yīng)。于是，他便開始以儲量更為豐富的木質(zhì)纖維素為原料，聚焦攻關(guān)木質(zhì)纖維素到生物航煤的烴類轉(zhuǎn)化技術(shù)。

木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。其中，纖維素是由六碳糖聚合而成的，半纖維素是由五碳糖聚合而成的，木質(zhì)素是由3 種醇單體（對香豆醇、松柏醇、芥子醇）聚合而成的。如何將具有復(fù)雜高分子結(jié)構(gòu)的木質(zhì)纖維素高效利用轉(zhuǎn)化為生物航煤（碳數(shù)分布為C8-C15 的烴類燃料），始終困擾著眾多科研工作者。

針對上述難題，結(jié)合木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)特征，在課題團(tuán)隊的研究基礎(chǔ)上，閆瑞構(gòu)思了木質(zhì)纖維素先解聚得到糖及平臺化合物，再通過分子層面定向設(shè)計制備生物航煤含氧中間體，最終經(jīng)加氫脫氧得到生物航煤的技術(shù)路線。

為研發(fā)高性能催化劑，在舒興田院士的悉心指導(dǎo)下，閆瑞潛心研究催化劑的合成調(diào)控及其構(gòu)效關(guān)聯(lián)規(guī)律。舒興田高屋建瓴地從催化劑的結(jié)構(gòu)特征到其作用機制探索、從反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建到失活機理研究給他提出了很多建設(shè)性的意見，為他指引著前進(jìn)的方向。

最終，閆瑞通過設(shè)計定向轉(zhuǎn)化反應(yīng)體系、錨定催化劑活性組分、調(diào)控載體協(xié)同作用，構(gòu)筑了多功能催化劑耦合高效反應(yīng)體系，打通了木質(zhì)纖維素?zé)N類轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品的技術(shù)路線，完成了中國石化技術(shù)評議并實現(xiàn)了技術(shù)中試。

突破高性能催化劑技術(shù)瓶頸

木質(zhì)纖維素中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%，在木質(zhì)纖維素到烴類液體燃料的反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的水。如何在長周期高水熱環(huán)境中既能保證催化劑的高活性和高穩(wěn)定性又能避免高溫C-C 鍵斷裂，是一項關(guān)鍵的技術(shù)難題。

為解決這一技術(shù)難題，急需研發(fā)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有選擇性吸附和斷裂C-O 鍵的新型高效催化劑。

2019 年，閆瑞從化學(xué)反應(yīng)和催化過程機理入手，梳理前期工作基礎(chǔ)和文獻(xiàn)調(diào)研情況，通過DFT 模擬計算不同活性組分吸附和斷裂C-O 鍵的活化能，優(yōu)選出能夠定向吸附和斷裂C-O 鍵的活性組分。

為錨定催化劑活性組分以提升其水熱穩(wěn)定性，閆瑞和團(tuán)隊成員開展頭腦風(fēng)暴，交換意見，形成諸多可實施方案并付諸實踐，最終確立了“低成本載體可控包覆、納米尺寸活性組分裸露”的催化劑設(shè)計目標(biāo)。作為團(tuán)隊帶頭人，閆瑞屢敗屢戰(zhàn)卻從不言棄，不斷調(diào)整催化劑合成方案以實現(xiàn)上述設(shè)計目標(biāo)。為加快科研進(jìn)度，他常常加班到深夜，在與倒班人員反復(fù)叮囑及確認(rèn)試驗細(xì)節(jié)后才安心離開。

功夫不負(fù)有心人。結(jié)合DFT 模擬計算，通過錨定催化劑活性組分、調(diào)控載體協(xié)同作用，由閆瑞團(tuán)隊構(gòu)筑的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能催化劑實現(xiàn)了溫和條件下C-O 鍵的定向吸附和斷裂，長周期活性評價結(jié)果顯示：從木質(zhì)纖維素基糖平臺到生物航煤組分的碳摩爾收率高達(dá)94%，氧原子脫除率＞99.9%，比文獻(xiàn)中的國外同類技術(shù)領(lǐng)先10%左右。

●供圖/中石化石科院

攻克催化劑百公斤級生產(chǎn)戰(zhàn)役

應(yīng)用于木質(zhì)纖維素?zé)N類轉(zhuǎn)化技術(shù)的新型催化劑，采用了全新的制備工藝和流程。因此，在放大生產(chǎn)過程中遇到了諸多新困難和挑戰(zhàn)。

2020 年盛夏，為完成催化劑百公斤級生產(chǎn)、攻克成型技術(shù)，閆瑞奔赴合作單位催化劑長嶺分公司，駐守在生產(chǎn)一線。當(dāng)時，生產(chǎn)車間和成型車間的溫度達(dá)到40℃，如同蒸籠讓人汗如雨下，而他一待就是幾個小時。

談起這段經(jīng)歷，他說自己非常享受在長嶺煉化的時光：每每夕陽落下，靜謐的街道、美味的夜宵、滿滿的煙火氣，讓這個小鎮(zhèn)獨具風(fēng)情，讓他感覺全身的疲倦瞬間轉(zhuǎn)化為充實感和幸福感。

為精心籌備催化劑的百公斤級生產(chǎn)，閆瑞與催化劑長嶺分公司就各項生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐一確認(rèn)，提前完成原料采購、裝置清洗、操作指令編制等工作。按照計劃，催化劑的百公斤級生產(chǎn)需要依次經(jīng)過催化材料的合成、處理及成型，并要通過機械強度和催化性能的評價。

然而，評價結(jié)果顯示第一次放大催化劑的機械強度難以滿足使用要求?；趪?yán)謹(jǐn)求實的工作習(xí)慣，閆瑞毅然決定多駐留數(shù)日來攻克成型技術(shù)。

他結(jié)合催化材料的基本特征，深入思考催化劑成型失敗的關(guān)鍵因素和解決方法，從設(shè)備、環(huán)境、工藝等方面嚴(yán)格把關(guān)每一道程序和步驟，并針對性地調(diào)整催化劑成型配方及參數(shù)。通過系統(tǒng)性分析對比，他找到了解決成型問題的核心控制參數(shù)。最終，經(jīng)過中型固定床評價后結(jié)果顯示，放大催化劑的性能優(yōu)于實驗室催化劑。

成績的背后，是辛勤的汗水和默默的付出。在和高溫持續(xù)作戰(zhàn)數(shù)周后，閆瑞成功完成了催化劑的百公斤級生產(chǎn)。那一刻，壓在他心中的沉重的包袱終于卸下了。凝結(jié)著研發(fā)團(tuán)隊幾年心血的結(jié)晶，終于花開綻放。

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。

閆瑞始終牢記習(xí)近平總書記對新時代青年的囑托，腳踏實地，勇于擔(dān)當(dāng)。對科研工作的堅定信念，支撐著他克服催化劑構(gòu)筑、關(guān)鍵工藝開發(fā)和中試放大生產(chǎn)中遇到的各種困難。

入職以來，他主持和參與了8 項國家和省部級科研課題。其中，在木質(zhì)纖維素的高附加值轉(zhuǎn)化和利用領(lǐng)域申請發(fā)明專利33 件、發(fā)表核心期刊5 篇，牽頭開發(fā)的木質(zhì)纖維素制生物燃料、添加劑及化學(xué)品技術(shù)完成了中國石化的評議，實現(xiàn)了技術(shù)中試，獲得了省部級獎勵2項。

閆瑞與比爾蓋茨團(tuán)隊會談時，曾就應(yīng)對氣候變化的生物能源技術(shù)進(jìn)行交流討論。他說：“比爾·蓋茨始終致力于解決人類未來重大問題的格局和魅力深深觸動著我，將激勵著我不斷前行?！?/p>

提及未來的事業(yè)規(guī)劃，閆瑞滿眼堅定地說：“下一步，我們將繼續(xù)聯(lián)合相關(guān)單位全力攻堅木質(zhì)纖維素?zé)N類轉(zhuǎn)化技術(shù)的工業(yè)試驗，積極推進(jìn)生物航煤產(chǎn)品臺架及適航審定，爭取早日實現(xiàn)木質(zhì)纖維素?zé)N類轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用推廣。”