20余年科技攻關，做有用的研究

20多年的努力到了最后關頭。

2020年的大年初八，突發的疫情來勢洶涌，為了保障工廠生產順利運行，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”） 研究員丁云杰團隊緊急收拾行裝，從大連趕往遼寧阜新，隔離后便住進工廠4個月。

那時，團隊研發的“乙烯多相氫甲酰化及其加氫制正丙醇的工業化技術”裝置即將投產，催化劑穩定性、產物選擇性、生產質量......嚴麗作為團隊組長，還有諸多細節需嚴謹把控。

2020年8月，該裝置投料開車，平穩運行至今。

今年5月14日，該技術通過了由中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定。鑒定委員會一致認為：發明的乙烯氫甲酰化金屬Rh單原子多相催化劑屬于首創技術，整體技術達到國際領先水平，一致同意通過鑒定。

“化學原理簡單，工程卻最難”

“乙烯多相氫甲酰化及其加氫制正丙醇”是指乙烯通過氫甲酰化反應制得丙醛，再多相加氫最終生成化學品正丙醇。烯烴氫甲酰化是生產洗滌劑、增塑劑、表面活性劑，以及醫藥、香料等高附加值精細化學品過程中關鍵反應之一。

烯烴氫甲酰化反應非常關鍵，它是一種將烯烴、氫氣和一氧化碳轉化為醛類化合物的反應，該過程中原材料的利用率近100%，在優化利用資源方面具有重要意義。

然而，該反應最大的難題是，在催化過程中存在諸如貴金屬和配體的流失、催化劑與產物分離困難、大量使用溶劑、大量低品位反應熱利用率低、以及高效Rh-P催化劑體系無法適用于液態烯烴等原料等問題。而均相催化多相化研究80多年來，這些問題始終未得到解決。

“催化所用的貴金屬每克大約4000元，目前，烯烴氫甲酰化大多采用均相催化體系，全球二千多萬噸級醛和醇是通過該體系來生產的，實際工業生產中每年補加的貴金屬價值40多億。”研究組組長、大連化物所研究員丁云杰告訴《中國科學報》。

為了實現“把論文寫到祖國大地”的理想，，丁云杰和嚴麗等展開了以應用為導向的基礎研究。1999年，丁云杰回國并入職大連化物所，成為碳一化學與精細化工催化研究組組長，把烯烴多相氫甲酰化作為重要的研究方向。

第二年，嚴麗進入丁云杰團隊讀博士，把烯烴多相氫甲酰化作為博士論文課題，均相催化劑活性成分流失的原因、提高多相催化劑活性低等是她需要弄清楚的基本問題。

2011年，是研究發生“質變”的關鍵一年。

中國科學院院士、大連化物所研究員張濤課題組在長期從事高分散催化劑研究基礎上，終于實現了氧化鐵負載鉑單原子催化劑的方法制備。2011年，他們在《自然-化學》上發表論文，正式提出“單原子催化”的新概念——實現活性金屬以單原子的形式分散，達到金屬分散的極限。

隨后，單原子催化劑迅速成為多相催化領域最活躍的研究前沿，

丁云杰帶領團隊改變了過去10余年發展納米顆粒多相催化劑的思路，自主研發了烯烴多相氫甲酰化單原子催化劑，并實現了金屬單原子催化劑首次工業應用。

“納米顆粒催化劑的金屬利用率低，而單個原子分散的多相催化劑，貴金屬的利用效率接近100%，而且流失量可以忽略不計。”嚴麗告訴《中國科學報》。

過去，之所以催化效率低，重要原因是真正參與催化反應的活性中心其實很少，絕大多數貴金屬原子都“沉睡”在納米顆粒的內部，必須將活性中心嫁接到一個載體表面上。

“而以往均相催化多相化的策略，相當于用一根又細又長的線放風箏，風箏即催化劑的活性點，反應過程線容易‘斷’，催化劑的活性組分流失，我們的策略是把線變得又短又粗，不容易斷。”丁云杰進一步形象地解釋，更重要的是，這個過程催化劑與反應體系幾乎無分離成本。

“做創新性成果，必須從基礎研究開始，我們分析過去八十多年沒有成功的原因，嘗試探索不同的思路和策略。”丁云杰總結了經驗，盡管這個過程會有很多次失敗，但一旦走通，既活躍了基礎研究，也給工業生產提供了好的技術。

“工業放大，他們摸索了4年”

“這個反應化學原理上來說很簡單，但反應放熱量大，品位又低，反應熱如何利用在工程上卻是最難的。”丁云杰說。歷經近百年，此項工業技術所用的已是第6代催化劑了。

實驗室成功是第一步，工業放大有著更多意想不到的困難，他們足足摸索了四年多才成功。

盡管丁云杰團隊已有近十項技術實現了工業示范或工業化，但對于這項技術，他還是覺得“崩潰”“太痛苦了”。“做不出來，沒人嘗試過，經常有各種各樣的問題。”他滿是笑意地再回憶起一開始在工廠的日子，“就像一個人被拋到一個沼澤地里面，不知道出路在哪。”

關鍵單體的放大生產工廠一開始在江蘇，但2019年響水化工企業突發爆炸，諸多化工企業停工停產，他們輾轉前往遼寧重建裝置。

在運行關鍵時期，他們在工廠一線一待就是半個多月，早上8點到現場，常常與科研人員討論解決問題至深夜。飛機場、賓館、路上都是丁云杰的辦公場所。

作為該項目的執行組長，嚴麗每天和工人們一起出現在生產第一線，她一頭齊耳短發，干練利落，帶著安全帽、身穿工作服，不論環境艱苦、熬夜通宵，在工作中與男性無異。

核心有機單體的純化是關鍵，從實驗室的毫升級，到工業的噸級放大，是兩種完全不同技術手段。在催化劑生產的關鍵階段，嚴麗和團隊伙伴們常常要通宵“盯”著儀表盤上的數字，并及時進行分析，“這是個全新的技術，更是從基礎研究到工業應用完全原創的技術。”

“能不能用，才是真正的核心問題”

2021年10月18日至21日，“乙烯多相氫甲酰化及其加氫制正丙醇的工業化”裝置進行了內部72小時連續運行考核，結果顯示，乙烯總轉化率為99.26%，丙醛加氫總轉化率為99.58%，丙醛和正丙醇的選擇性分別為99.51%和98.64%。

作為建設方的寧波巨化化工科技有限公司董事長、總經理周強也高興地告訴《中國科學報》，這一項目在工藝路線選擇、工藝流程設計、設備選型、自動控制等方面進行了大量優化和完善，采取了多項填補行業空白的先進控制技術，最終實現了全流程一次開車成功，“該項技術是世界首創，為烯烴多相氫甲酰化產業發展奠定了基礎。”

從提出原創性概念到深入的科學研究，再到工業化應用嘗試，單原子催化在中國駛入“快車道”。

利用該技術的乙烯氫甲酰化工業裝置自投產以來已平穩運行22個月，且仍保持滿負荷運行，再次驗證了單原子催化劑具有廣泛工業應用潛力，也進一步豐富了單原子催化理論。

如今有越來越多的企業找到丁云杰和嚴麗，因為這項多相氫甲酰化技術還可以拓展到其它烯烴的氫甲酰化生產醛的過程中，對于緩解醇、酸、脂等重要化工原料的供需矛盾有著重要意義。

“我們做研究的目的，不是為了自娛自樂，能不能用，才是真正的核心問題。”丁云杰自豪地說，現在團隊能夠用于生產的技術扎根在全國各地的多個企業之中，年產值估計有數十億。

多相氫甲酰化工業化裝置示意圖（大連化物所供圖）

嚴麗在工程現場（大連化物所供圖）

丁云杰（右）和嚴麗（左）在裝置前留影（大連化物所供圖）