用毕生心血浇灌科研之花，在坚持中成就辉煌成果

陈曦

把创新倾注于科研工作的日日夜夜，是坚守，更是融注于生命中的工作伴随。历经多年科研攻关，其中的甘苦、付出、奉献和追求尽在不言中；要说的就是矢志不渝的信念，坚持创新，是追求，也是超越，更是科研工作者面对国家需求完成使命、履行责任的内在动力。浙江工业大学工业催化研究所所长刘化章用毕生的心血浇灌的科研之花，在催化领域中大放异彩！曾经，在Fe1-xO催化剂实验最困难的时候，他百折不挠，坚守心中的信念，誓与项目共存亡。刘化章立下誓言：“誓与Fe1-xO催化剂共存亡，坚决完成国家任务！如不成功，我从实验楼主楼上跳下来！”。正是因为有了对科研坚韧不拔，执着不悔的精神，刘化章在科研的道路上硕果累累，并成为三项国家奖获得者。

刘化章教授是我国著名催化剂工程技术专家，也是我国合成氨-化肥催化剂产业发展的重要领军人物。1964年毕业于浙江化工学院化工系，并留校任教至今。1982-1984年在日本横滨国立大学留学，1996-1997年在日本北海道大学访问教授。他负责创建了浙江工业大学第一个工业催化国家重点学科、国家重点实验室和博士点，造就和培养了10名教授和70多名博士、硕士等一批高级技术人才。现任浙江工业大学教授、博士生导师、工业催化研究所所长、浙江省特级专家；中国化工学会理事兼化肥专业委员会名誉主任、中国化学会催化专业委员会委员。

刘化章教授从事教学科研工作达50余年。在催化剂研究中，突破了Fe3O4体系，发现了新一代Fe1-xO催化剂。这是自Fe3O4催化剂发明百年来第一次取得重大突破，是中国独创的原始创新成果。开发成功A110-2、A301、ZA-5等系列新型催化剂，在世界上得到广泛应用，取得巨大的经济效益和社会效益。获国家发明二等奖、三等奖、国家科技进步二等奖各1项、省部科技进步一等奖6项、中国专利发明创造金奖1项、国际发明金奖1项；发明专利20项；发表论文370余篇，出版专著2部。

由于他在该技术领域做出了重大的、创造性的成就和卓越贡献，被中共中央组织部、宣传部、国家科技部、教育部授予国家杰出专业技术人才，并获得《侯德榜化工科学技术奖》-成就奖、国家突出贡献的科技专家、全国有突出贡献的留学回国人员、全国五一劳动奖章、国务院特殊津贴、化学工业部小氮肥工业先进工作者（2次）、浙江省科技进步重大贡献奖、浙江省功勋教师、浙江省特级专家、浙江省有突出贡献中青年科技人员（2次）等荣誉称号。2008年，作为全国创新创业专家代表，应中央组织部以党中央、国务院名义邀请到北戴河休假。

一、在合成氨催化剂研究中取得重大突破

粮食问题始终是性命攸关的重大战略问题，作为一个人口众多的发展中大国，解决好14亿人的吃饭问题始终是治国安邦的头等大事。合成氨工业被认为是催化技术对人类的最伟大的贡献。基于合成氨的氮肥占化肥的70%，养活了全球60%的人口。如果没有这一项技术，中国也不能以占世界7%的耕地养活了占全世界20%的人口。合成氨是第二个最大的化学品，消耗能耗占全球能源的2%，占中国的3-3.5%，且节能潜力巨大。开发高效催化剂及工艺新技术是其实现转型升级、节能减排的关键所在，经济价值和现实意义重大。

熔铁催化剂经历了几十年的发展，已经比较成熟，到上世纪80年代初已基本定型。粮食的战略地位决定了合成氨工业的不可替代性，迫使人们开始寻求新的技术突破。但熔铁催化剂被认为是研究得最透彻、最成功的催化剂，要在该领域取得突破性研究成果被认为是非常困难的，因而国内外都转向在昂贵的贵金属催化剂中寻求突破。

刘化章坚持从廉价的铁催化剂技术路线下寻求技术突破，从催化剂设计、催化理论研究和工业应用关键技术三个层面开展了深入广泛的研究。

在催化剂设计研究中，从改变催化剂母体着手，全面系统研究了在Fe-O相图中全部氧化物范围内它们与活性的关系，得到了驼峰形活性曲线，突破上述经典结论和Fe3O4体系，终于找到了熔铁催化剂的突破口—Fe1-xO催化剂新體系，取得重大突破，使氨合成催化剂性能得到大幅度提高。理论上，提出了铁氧化物分子比、单相理论、均匀性原则和活性模型等系列新的理论和概念，百年来第一次建立了熔铁催化剂的制备科学理论基础。提出物理熔融与化学反应耦合的一步法制备工艺技术和控制歧化反应的可控冷却凝固技术，历时7年，开发成功地世界独创的Fe1-xO催化剂。

刘化章在催化理论研究中，针对Fe1-xO催化剂极其优异性能与其特殊结构的构效关系问题，提出了助催化剂与Fe1-xO结构特征相匹配原则、表面酸碱协同效应、Fe1-xO歧化机理、Al2O3表面重构作用、竞争性还原机理、H2的强化学吸附和高活性本质等新概念和新理论，形成了以单相理论为核心的我国原创Fe1-xO催化剂特色理论体系。这一系列自成体系的研究成果代表了近40年国际上该技术领域的发展水平，在催化领域产生了很大影响，得到国内外学术界的公认和较高评价，认为这是“对氨催化剂原有理论的真正突破，给已经成形的合成氨催化科学知识体系带来了强烈冲击，对一百年来教科书式的催化剂研究和推断提出质疑”。根据这些理论和概念，刘化章撰写出版的中英文专著已在世界范围发行，部分内容被选编入高校教材和有关专著中，发表论文340余篇。

刘化章首创的Fe1-xO基新一代氨合成催化剂是世界合成氨催化剂研究百年来的第一次重大突破，是我国独创的一项拥有自主知识产权的原始创新成果，技术居国际领先水平。当时化工部认为该发明创造意义重大，涉及国家重大利益，需要保密，并批准获中国保密发明专利权。国家十分强调和鼓励原始创新，但我国每年成千上万项科研成果中，真正属于原始创新的并不多。Fe1-xO催化剂是一项有理论、有技术（专利）、有产品，即具有“三有”特征的原始创新成果。Fe1-xO基新型氨合成催化剂是目前世界上活性最高，生产成本低廉的最先进的商业催化剂，为我国氨合成催化剂处于国际领先地位，使我国化肥工业踏上了节能降耗的新途径，为改变我国合成氨工业落后面貌和促进农业稳定发展做出了重大的、原创性的成就和卓越贡献。

Fe1-xO催化剂发明在国际上产生了很大影响。世界著名的德国南方化学跨国公司也在生产Fe1-xO催化剂；德国、波兰、意大利等国科学家也在研究中国的这项发明，并指出：“很明显，这种发现给已成形的合成氨催化剂科学知识体系带来巨大冲击，并且还提出了令人感兴趣的工业应用方式。”

二、Fe1-xO催化剂经历3次生死存亡的抉择

Fe1-xO催化剂是氨合成催化剂近百年来的一项重大突破，是我国独创的一项原始创新成果。世界上第一个Fe1-xO催化剂的发明和开发过程没有先例可循，是一个典型的原始创新过程，从构思到产业化经历了十四年时间，Fe1-xO催化剂经历了三次生死攸关的考验！

从构思到发现历时七年。在小试过程中，由于没有先例可循，也未能找到有效的技术方案，于是刘化章换了一种思维，采取了“瞎搞”的办法。但可惜的是多次试验都以失败告终。其他老师劝他说：“刘老师，做不出来的，就别做了”。如果当时真的放弃不做了，那么Fe1-xO 催化剂就不会被发现了，Fe1-xO催化剂面临第二次生死攸关的考验。但是，执着不悔是刘化章的追求，坚韧不拔是刘化章的风格。既然要“瞎搞”，那就要“蛮干”到底，不达目的，决不罢休。刘化章坚持一定要做出一只样品！失败了，卸炉，装料，通电；再失败，再来，如此反复，终于试制成功第一只Fe1-xO催化剂样品！谁也没有想到，这次“瞎搞”的实验竟然是一次重大的突破性实验，它标志着Fe1-xO催化剂的诞生！正是因为有了刘化章式的坚持与拼搏，才有了Fe1-xO催化剂这一重大发现！

在这个创新过程中，刘化章深刻地体会到，搞科学研究要有异想天开的独创精神，要敢想、敢做，从前人没有做过的或按一般常识被认为是不可能的地方闯出自己的路。从废催化剂回收利用的目的出发，却“意外”地发现了一种新型的Fe1-xO催化剂。按照固定思维不可能的事情，按照创新思维就成为可能。“一切结论都在实践之后。尚未实践就下结论，就不可能有创新”，这是刘化章从事科学研究的准则。没有异想天开的创新思想，就没有Fe1-xO催化剂这一重大发现！氨合成催化剂已经历百年历史，被认为是研究得最透彻、最成功，在众多科学工作者广泛研究过的领域中，刘化章所引领的创新一个接着一个。他对氨合成催化剂研究的突出貢献，不仅在于开发出新型的系列催化剂以及由此产生的巨大经济效益，而且还在于我们在该领域科学研究中所表现出来的独创的科学精神。

从第一个样品到研制成功又经历了七年的漫长岁月，不仅困难重重，而且Fe1-xO催化剂又经历了一次生死存亡的考验。历经四年的第一次工业试验失败后，课题组在认识上和工作上发生了严重的分歧，少数人动摇了、退却了，有的认为Fe1-xO技术路线在本质上是不可行的，再继续下去也是“死路一条”，并退出了课题组。

在这个关键时刻，刘化章向校长汇报了课题组遇到的困难，表达了他的观点和态度，请求领导给他“背水一战”的机会。为了表示决心，刘化章毅然绝然地立下誓言：“誓与Fe1-xO催化剂共存亡，坚决完成国家任务！如不成功，我从实验室主楼跳下来！”在极其困难和巨大精神压力下，他继续带领课题组日夜奋战，终于研制成功世界上第一个Fe1-xO基A301催化剂，技术达到国际领先水平！

科技创新光有异想天开的独创精神是不够的，还需要脚踏实地、实事求是的科学精神，坚忍不拔、追求真理的献身精神。Fe1-xO催化剂的发明和开发过程中，困难、曲折和失败始终伴随着他们！技术方案被否决了！小试失败了！中试失败了！工业应用也遭遇失败了！其中任何一步都是决定Fe1-xO催化剂能否被发现和能否被开发成功的生死存亡的关键节点！技术方案被否决后，如果没有坚持技术路线，就不能找到熔铁催化剂的技术突破口；小试过程中，如果没有坚持实验，没有“今天一定要做出一只样品来”这样的决心和坚持实验的科学精神，就没有这一重大发现！在中试失败后，如果没有坚持Fe1-xO催化剂技术路线，没有“誓与Fe1-xO催化剂共存亡”这样的不怕失败、百折不挠的献身精神，就没有这一重大成果！

成功需要拼搏，成功需要等待！对于自己的创新经历，他说可以用两个字可以道出他最艰辛的工作特点，这两个字就是失败。同样地，成功的秘诀也可用两个字概括，那就是坚持。为了Fe1-xO催化剂的成功，刘化章拼搏了14年，坚持了14年！等待了14年！

三、催化剂的创新必须驱动产业的发展

国家提出全面实施创新驱动发展战略加快建设创新型国家，要求紧扣产学研结合问题，重点在推动科技成果转化上求突破。刘化章团队是从事催化剂研究的，如果把“创新驱动”比作经济发展的“催化剂”，则催化剂的“创新”必须“驱动”产业发展。

科学研究需要正确的价值观。刘化章认为，没有创业的创新是无本之木，只能是多几篇论文，多几个科技成果奖而已，而科技与经济依然是“两张皮”，也就是说，一项科研项目只有完成了“创新”和“驱动”两个过程，才能解决科技与经济“两张皮”的问题。这是刘化章长期坚守的科研价值观和目的观。

刘化章团队长期坚持走产学研结合的道路，创新了成果转化模式和方式，在该领域率先提出“研究、开发、生产、应用”一条龙的科研指导思想，坚持不懈地致力于产业化和工业应用。在校内外建立中试和产业化基地。从催化剂中试研究、催化剂生产、合成塔升温还原到正常运行一竿子到底，为企业提供全方位技术咨询和现场服务，团队成员的足迹踏遍祖国除西藏之外全国30个省市区的数百家化肥厂。刘化章的产学研结合的创新模式，《科技日报》曾以“为自主创新‘火上浇油”为题做了报道。

刘化章认为，创新成果转化和工业应用的过程是不断的创新过程。既要解决新型催化剂在工业应用中遇到的系列关键工程技术问题，又要解决工业实践中发现的新技术、新问题，提出了“催化剂、催化反应器、催化反应工程和工艺技术一体化技术路线，形成集成创新体系，创造性地解决了新型Fe1-xO催化剂在现有工业装置中系列应用关键技术，形成一套特有的新型催化剂使用技术，使催化剂工业应用提高到新的高度。

这系列成果转化配套措施，有力地促进了成果转化，降低了企业采用新技术的风险，《人民日报（海外版）》、《中国化工报》等曾评价刘化章的措施是“把成果转化风险降为零”。他将研究成果实现了大规模产业化，研发的催化剂在全国的市场占有率 40%～50%。产品在国内外合成氨厂得到最广泛的应用，其中包括世界上最大规模的年产60-70万吨合成氨的特大型合成氨厂，应用企业遍布全国31个省市区（图5），累积应用厂达上万家（次）合成氨厂，支撑了我国合成氨工业的 “半壁江山”。

工业应用技术经济指标先进，装置能力提高10-20%，吨氨能耗降低100-150公斤标煤，且至今已持续30多年，累计新增产值1186.1亿元，新增利税325.4亿元；节约能源5，827～8，741万吨标煤，减排CO2 2.133亿～3.199亿吨，增产粮食17，998万～35，996万吨，取得重大的经济和社会效益。在确保国家粮食安全中发挥了重要作用。

虽然刘化章老师做出了这么多贡献，在科研领域中成就斐然。但生活中的他依然那么平易近人，他儒雅的风度让人过目不忘，他始终用热情谦逊的态度对待身边的朋友和同事，即使是不熟悉的人，也会在短暂的接触中感受到他的学者的风范，儒雅的气质；他对科学事业的执着追求与默默奉献的精神连同行都被深深地打动；他严谨的治学风格和勤奋乐观的人生态度让学生们深深折服，他是学生们崇拜的偶像。在合成氨催化科学事业的道路中，他一直被追赶，却从未被超越……