中国催化科学的奠基人之一——张大煜

文/俞稼镛

中国催化科学的奠基人之一
——张大煜

文/俞稼镛

张大煜，字任宇，1906年2月15日生于江苏省江阴县长泾镇。他从小酷爱读书，学习成绩优异。中学毕业以后，考入北洋大学（即天津大学），后转清华大学。大学期间同翟风阳、葛春林、袁翰青等人组成大地社，他们经常探讨如何“科学救国”和“工业救国”，并多次参加学生运动。1929年，张大煜于清华大学毕业，同年考取了公费留学德国和美国，他把留学美国的名额让给了同学，自己赴德国德累斯顿大学学习胶体与表面化学，1933年获工学博士学位。回国后曾任清华大学、西南联大、交大教授和中央研究院研究员。中国开创催化反应和催化剂研究的科学家之一。早年从事胶体和表面化学以及人造燃油的研究；在大庆油田开发以后，组织了石油炼制、石油化工、高能燃料、色谱、激光和化工过程的研究；组建了我国第一个石油、煤炭化学的研究基地，并为我国培育了几代研究人才。晚年仍关注石油工业有重要影响的强化采油中界面现象新领域的开拓。

创建石油煤炭化学研究基地

在清华大学学习期间，张大煜就深谙祖国缺油少气的现状。1929年，他怀着工业救国的理想赴德国留学。1933年在德累斯顿大学获博士学位后，他亲自考察了德国巴斯夫公司、拜耳公司等煤炼油工艺（Bergius煤加氢、F-T合成石油、Lurgi炉低温干馏等），取得了当时国际先进的煤转化第一手技术资料。回国后，即受聘于清华大学。抗日战争爆发后，张大煜从长沙辗转到昆明，1940年在西南联大任教并兼任中央研究院化学所研究员。为适应抗战的需要，他毅然从基础研究转向石油、煤炭方面的技术科学研究。1941年，他利用云南丰产的褐煤，在昆明附近宜良滇越线上建立了一个从褐煤低温干馏提炼汽油的小型实验工厂——利滇化工厂，边实验边生产，历尽千辛万苦炼出了油。但在人力、物力、设备和经费等方面困难重重，终于被迫停办。张大煜“工业救国”的尝试遭到了挫折，但为他后来创建我国第一个石油煤炭化学研究基地提供了最初的经验。抗日战争胜利后，张大煜从昆明到上海，任交通大学教授兼北京清华大学化工系主任，讲授工业化学和胶体化学，在极端困难的条件下，还开展了一些研究工作。1948年底经上海地下党负责人介绍毅然离开上海，绕道香港和朝鲜，于1949年初到达大连。1949年大连大学创办初期，他任化工系教授、系主任，同时担任大连大学科学研究所（后改名为东北科学研究所大连分所）研究员、副所长。

大连所始建于1908年，其前身为日本“南满洲铁路株式会社中央试验所”，是日本帝国主义为掠夺我东北资源进行调查和科研而设置的，盛时日本职工曾达600多人。日本投降后，隶属中苏合营的中国长春铁路管理局，设有无机化学、有机化学、燃料化学、窑业化学、农产化学、物理化学等8个研究室，有较好的研究条件和设备，但当时的研究方向混乱、组织涣散。1948年底到1949年初，苏方移交该所，隶属于大连大学。张大煜教授到任后，百废待兴，他全力以赴地投入接收和改组工作中，克服了重重困难，做了大量艰苦细致的思想、组织工作，团结留用了部分有专长的日籍科研人员。1950年9月，大连所改名东北科学研究所大连分所，属东北工业部管辖，任命董晨为所长，张大煜为副所长。1953年4月该所又更名为中国科学院工业化学研究所，张大煜任所长。1953年8月，在所长张大煜和燃料工业部的积极倡议下，成立了液体研究委员会，张大煜任主任委员，侯祥麟任副主任委员，委员有赵宗燠、张定一、刘放、顾敬心、曹本熹等，定期地对研究所的计划和工作进展情况进行审查评议，这对加强研究所与生产部门的协作联系起了很大作用。1954年，工业化学研究所再次更名为“中国科学院石油研究所”，同时成立“中国科学院煤炭研究室”，由苏恒任书记，张大煜任所长兼煤炭室主任。

当张大煜领导实力雄厚的队伍重新制订研究合成燃料油等课题规划时，他禁不住心潮澎湃。他认为选择石油化学作为研究所的主要研究方向，使之逐步形成我国第一个石油煤炭化学的研究基地，方向是正确的。在我国天然石油资源尚未发现之前，合成燃料是急需的研究课题，因此他选择了页岩油高压加氢和水煤气合成人造石油两大研究课题。此外，根据抗美援朝战争对于炸药的急需，选择了直链烷烃芳构化制甲苯的研究课题。由于全所研究人员的共同努力，这些研究课题都取得了很好的成果，其中“七碳馏分芳烃化合成甲苯”以及“熔铁催化剂用于流化床合成液体燃料的研究”曾获1956年国家科学三等奖。

大连的煤炭研究是从1951年开始的。张所长针对我国丰富的煤炭资源急待合理开发利用、特别是三大钢铁基地（鞍钢、武钢、包钢）建设急需炼焦煤基础数据的现状，不失时机地提出以炼焦为主的煤化学研究方向，并把组建煤炭组的工作列入他的第一议事日程。当时的煤炭组成员王祖侗、裘维刚、杨煌、吴奇虎、张芷等，就是在张所长的亲自指导下开展工作的。煤炭组在很短的时间内，建立了煤质分析方法，仿制了胶质层测定仪，建立了2kg、5kg小焦炉，取得了一批可靠的实验数据，为我国炼焦煤地质勘探和配煤方案提供了科学依据。

在完成任务的同时，也为石油工业部门培养了大批科学技术研究人员。张大煜从实践中认识到，一个研究所必需具有良好的学风，才有生命力，尤其是要有民主的学术气氛。作为所长，必须能容纳不同意见，支持新生事物，才能发挥大家的积极性和创造性。为了发挥集体智慧，形成学术领导中心，大连石油所于1955年9月在中国科学院第一个成立了所“学术委员会”。经过10年的发展，建成了包括催化、近代分析、化工等学科的近千人的大型研究所。

提出表面键理论

在完成国民经济重大研究课题的同时，张大煜也很重视基础研究。50年代初期开始，他就致力于工业上广泛使用的催化剂担体研究。人们将催化剂比喻为化学变化中的“点金石”，而催化理论是寻找“点金石”的“魔棒”。建国10年来，在石油炼制、人造燃料等大量的实践基础上，1960年张大煜在上海召开的中国科学院学部大会上作了《多相催化研究中的表面键理论研究》的学术报告。而国际上表面键理论直到70年代随着新的表面物理实验方法在催化研究中的应用才逐步形成。当时，我国催化研究状况正如1959年在第一届全国催化学术报告会议上吴有训副院长所谈及的那样：“我们不仅已能仿制和掌握国外成熟的催化剂和先进技术，而且对国外处于探索阶段和初露苗头的催化剂研究，也能根据国家需要，集中力量在短期内取得突破”。张大煜感到在新形势下需要尽快加强催化理论研究，为催化剂研制工作持续发展创造条件。但是，张大煜发展表面键理论的历程并不平坦。

早在中华人民共和国成立前，张大煜即对催化过程深感兴趣，在国民经济恢复时期，石油研究所内主要接受应急任务，基础工作还相当薄弱，他当时亲自兼任一个课题组长，从物理吸附开始逐步开展有关催化基础研究，首先利用日本人留下的一些玻璃活塞和真空泵，建立了国内最早的两套BET真空吸附装置，又专门请玻璃细工刘兴信（后来任副总工程师，成为玻璃吹制技术专家）来所工作。在国内首先试制成功了真空活塞、石英弹簧以及高真空扩散泵。1955年制成压入水银测孔仪，配合其它大型仪器的建立，初步具备了催化基础研究条件。1953年开始催化剂物性的测定；以后又进一步开展了催化反应机理和动力学的研究，在工业催化剂载体的物理化学结构对催化剂活性关系研究中发现载体（如硅胶、氧化铝、活性碳、硅藻土等）对催化剂有重要影响。1955年，在钴催化剂制备中发现钴硅复合物含量不同时会强烈地影响催化剂的还原和空隙结构。由于水煤气合成反应受扩散控制，因而孔结构会强烈影响催化剂的活性、热稳定性和寿命，从而提出了催化剂制备时对孔隙结构的控制问题。在此基础上还研究了水煤气合成熔铁催化剂的还原和生成孔隙结构问题，1957年开始化学吸咐的研究，在上述钴催化剂上阐明了氢气、一氧化碳吸附与反应性能间的关系。此外还从化学吸附等压线等实验事实出发归为甲、乙、丙三种吸附类型，讨论了表面不均一性所产生的能量图谱，并推论丙型吸附可能与反应活性的关系密切，加上以后大量催化实验事实的积累和对文献中日益增多的数据的总结，逐渐形成“表面键”理论。

催化反应特点，在于至少反应物之一与催化剂表面发生了作用而形成“化学吸附键”，此键在本质上与化学键相同，而又区别于一个分子内的化学键。由于催化剂表面所固有的或诱生的不均一性所形成的表面键在键角、键长与键能上会有很大的不同，从而形成一个表面键谱图。强表面键是弱表面键存在的基础，不强不弱的键在反应中起主要作用，较弱和较强部分都困难于活化而不易发生反应。如何得到表面键谱图以预言催化剂活性，这是表面键理论要解决的关键问题。1962年组织开展这一工作时，微观的表面测试工具，有的尚在初期应用阶段（如红外光谱），有的仍在研制（如各种能谱仪），因而测量表面键谱尚有困难。当时还进行了铂、镍催化剂上吸附一氧化碳的红外光谱研究，以期从微观角度接近表面键问题，1964年后他又提出了表面振子模型如何发展，覆盖度与表面键有什么规律，如何沟通催化剂微观和宏观的表征参数等比较深入和具有吸引力的研究课题。

为改变我国化肥工业的落后面貌，1965年，他亲自领导了由研究、设计、生产三方面组成的合成氨燃料气净化新流程三个催化剂攻关任务，并在研制催化剂的关键技术上发挥了重要的指导作用，使新流程的研制工作只用了一年多时间便在工业上获得推广应用，被国家经委、科委誉为协作攻关成功的典范，获1978年全国科学大会奖。

科学组织工作中的远见卓识

张大煜十分重视从实际中提出应用性很强的课题，也安排必要和可能的基础研究。在集中力量开展石油化学的研究中带动了催化和色谱两门学科的发展，并在国内形成了自己的特色，为后来的发展奠定了良好基础。早在1956年制定12年科学技术发展远景规划时，周恩来总理一再提出科学院要十分注意基础研究，建国10年来，张大煜在完成应用研究任务过程中一再感到基础研究是一个薄弱环节，此时产业部门石油化学研究队伍业已成长，为避免研究工作中的重复，并提高研究水平，1960年，张大煜提出了表面键理论，以加强基础研究。

1961年11月，大连石油研究所正酝酿改名为化学物理所时，所内一度思想比较混乱。张大煜和当时的所党委书记白介夫一起，在发扬民主、集思广益的基础上，明确了化学物理所的方向和任务、主要发展的科学领域（催化、色谱、燃烧和动力学，金属有机、化工和物质结构组成综合的研究力量和建立强有力的技术系统），并制定出化物所的长远规划，这对化物所成立后的建设和发展起了十分重要的作用。在此期间，张大煜总结出科学组织工作中的6大关系：①处理任务和学科的关系，以任务带学科，学科的发展促使为国家解决更多更大的任务；②挑选任务和课题应以国家“最重要”的为前提，本着我们“最合适”的尺度，严肃灵活地挑选；③“赶与超”、“远与近”、大与小”等关系；④集中与分散的关系；⑤学术民主与学术领导两方面的统一关系，就是领导、专家、群众三结合；⑥处理专业研究和设计、生产单位的关系。张所长很会用人，但是他从不把意见强加于人，而是循循诱导，自己决定。研究所的方向任务是非常重要的。

在蓬勃开展工业学大庆的群众运动中，化物所进入了一个空前的全盛时期，1966年初被中国科学院和中共中央东北局树为大庆式的“红旗单位”。郭沫若院长和国家科委韩光等领导都曾到化物所进行考察。郭沫若还写了《水调歌头》一阙以示嘉勉，其下阙云：“出成果，驱虎豹，御熊罴，赶超任务，重担争挑乐莫支。攻破尖端堡垒，满足国民经济，接力把山移，永蓄愚公志，长颂冬云诗。”

1972年，他获悉美国科学家发明了丙烯氨氧化催化剂，在此启发下，1973年他提出了建立“催化剂库”的建议，组织力量对国内外各种类型的工业催化剂开展规律性的研究。这个建议得到研究人员和中国科学院领导的支持。他还写成国外工业催化剂的研制中“理论走在前头”的成功的10例提纲，意在科研人员中引起学术讨论，加强学科建设和基础研究。

张大煜晚年还热情支持开展新的科学领域的研究，如磁场对化学反应影响等基础研究，他看到胶体界面科学在三次采油中的重要作用，热情关心并支持强化采油中界面现象这一新的研究领域的开拓，直到他病逝之前，仍然为恢复和发展表面键的研究而呕心沥血。