李孔斋：做能源发展的“催化剂”

本刊记者 汲晓奇

21世纪什么最热？现今时代发展什么最火？是智能科技、人体医疗、还是环境治理？说实话，这很难有一个准确的答案。

每一个时间节点，总有一个领域被推上风口浪尖，往复更替，新兴产业迭起，接下来的未知没有人可以精确地给出预测。但有一个领域，它长期占据世界热点话题的地位，并且随着时间发展，它的热度仍居高不下，成为长远型、持续性的关注焦点。它便是与人类生活息息相关，在社会经济发展中不容忽视的能源资源问题。

“随着石油资源的日益枯竭和环境污染的不断加重，开发洁净廉价的石油替代资源已成为各国竞相研究的热点。”昆明理工大学冶金与能源工程学院教授李孔斋，很早就预见性地投入到能源材料的研发工作之中，他对于利用转化技术获取高品质能源有着自己的认识，“甲烷是天然气、煤层气和可燃冰的主要成分，还可以通过生物质反应收集，是一种不可多得的能源材料。将它转化为高品质且易于运输的液态化学制品，不仅具有替代石油的潜力而且还可以为‘无碳或低碳能量链’的发展提供技术储备。”李孔斋这个名字与甲烷的转化、催化技术研究，逐渐产生了密不可分的联系。

踩实前行路

2005年，李孔斋在郑州大学读完本科，告别了材料科学与工程专业，将阵地转移到昆明理工大学，成为一名工学硕士生。3年时间很快度过，李孔斋在科研这片土地上耕耘，开始小有收获。他的硕士论文被评为“云南省优秀硕士论文”，而他参与的“熔融盐循环热载体无烟燃烧技术的应用基础研究”项目荣获云南省自然科学奖二等奖。

在他参与下的国家自然科学基金项目——“熔融盐中催化氧化天然气制取氢气的应用基础研究”的成果展示书中，利用金属氧化物的氧化还原能力，以晶格氧为氧源的循环制气体系被详尽地剖析。尤为值得一提的是，该项目结题的时候，他们还成功获取了性能可靠的氧载体和系统运行系数。

到了2011年，李孔斋在昆明理工大学又走过3个春秋。同年7月，他由日方资助在日本名古屋工业大学展开博士论文课题研究。在结束了这一研究后，他回到了昆明理工大学冶金与工程学院任职，选择将传承的责任扛上肩头。

2013年，李孔斋被破格晋升为教授。随时间推移的，还有他从未放下的研究工作。在这些年里，不论是甲烷的催化材料构建，还是多功能催化材料的行为研究都被他纳入了项目研究的范畴。埋首之际，与项目推进同步而来的是一个又一个的可喜回报：“铈铁复合氧化物制备与甲烷选择性氧化制合成气催化性能研究”等论文相继在各大刊物上发表；蓄热型化学链燃烧技术用复合氧载体及其制备方法等国家发明专利上烙印下他的名字；基于甲烷裂解和积碳选择性氧化的两步法制备合成气新技术也在各项发现的簇拥之下，揭开了神秘的面纱……

攻坚技术 发展要塞

2017年9月22日，中国科学院海洋研究所发布一则消息：新一代远洋综合科考船“科学”号在我国南海海域首次发现裸露在海底的天然气水合物，即可燃冰。这一振奋人心的消息不胫而走，引发讨论热潮。

近几年我国提出了立足国内资源，提高能源利用效率，加大新能源与可再生能源开发力度，以保障经济社会发展需求的倡议要求。作为可燃冰主要构成成分的甲烷，在时代格局下，被可持续发展趋势赋予了极高的期望。它的利用率势必关乎整体的能源发展效率，而它在转化、使用过程中所需的催化技术，也将对改善资源品质、提高能源利用水平等方方面面有着不容忽视的作用。或者说，催化的支撑技术承担了实现节能减排、资源循环利用，引领未来能源走向的关键任务。

那么，如何展开甲烷的催化工程？在其中，又有哪些不为大众所知的技术难题等待揭秘？李孔斋结合他在2011年主持的国家自然基金项目做了详细的介绍：“目前，甲烷的转化方式主要有两大类，即直接转化和间接转化。直接转化主要是将甲烷一步合成为高碳链烃或含氧化合物，需要严苛的条件且转化率低。从经济角度考虑，以甲烷部分取代石油作为化学工业原料和燃料，最有效途径是通过制取合成气再进一步转化的间接方法。而在这一过程中，也存在诸多问题亟需解决。”

间接方法转化中，甲烷制合成气的“造气”工序成本高达全程成本的50%，严重影响了实现经济高效的制备初衷。开发关键技术解决转化困境成为科研人员长久以来的研发重点。经过多方考察，整合前人经验，李孔斋将催化部分氧化法作为研究切入点。“催化部分氧化不同于水蒸汽重整、二氧化碳重整，能耗、生产成本及设备投资都比较大，它的反应是温和的放热过程，可以在高空速下进行，并且反应器体积小、效率高，生成的合成气也可直接作为甲醇、二甲醚等物质的原料气。”

即便集万千优点于一身，催化部分氧化法还是面临着各种研究困局。譬如，氧化过程需使用纯氧，而制氧装置的投资与运行费用昂贵；催化剂易烧结、积碳失活等。为此，李孔斋基于荷兰、日本等学者提出的晶格氧部分氧化甲烷工艺，根据甲烷催化裂解和积碳（被氧气）氧化可以在低温度（≤700℃）下进行，且在催化剂配合下持续时间较长的这一特性，提出了一种在中低温（500℃～700℃）条件下转化甲烷制取合成气的新思路。该方法将裂解与氧化分步进行，比较传统甲烷裂解工艺，剔除了复杂的催化剂还原程序。

除此之外，考虑到一般使用二氧化碳和水等弱氧化性物种充当氧化剂，不仅效率低，反应积碳还不能完全被消除，从而影响裂解催化剂的循环利用等因素。或者进一步说，即便积碳能够被高效率氧化，其产物也只会是二氧化碳，而并非人们希望得到的一氧化碳。对此，李孔斋讲述了他在实验中的有趣发现：“如果在铈铁和铈钴复合材料上，甲烷裂解的积碳，可以被空气高选择性地氧化为一氧化碳。而且，我们经过初步研究证实，反应温度对于一氧化碳的生成影响很大。”这一发现无疑为创制具有甲烷裂解和积碳选择性氧化双功能的催化材料，奠定下坚实的基础。其成果被国际催化领域的权威杂志

Journal of Catalysis 和Applied Catalysis B: Environmental、The Journal of Physical Chemistry C等录用。“这是一个很有意义且值得深入研究的现象”，这是杂志审稿人给予的最中肯的评价。与此同时，针对热量传导和利用问题广泛存在于各类反应过程当中，李孔智提出了将相变蓄热技术应用于化学反应的新思路，以构筑核壳结构蓄热功能化催化剂来解决固定床反应器中存在的氧载体床层温度不均等问题。该概念的提出和深入研究在能量利用、涉及吸放热反应的化工领域等方面逐渐形成新的关注点。李孔斋预测，随着技术的不断成熟，该设计思路可扩大推广范围实现太阳能热分解制氢、化学链重整制氢、甲烷部分氧化等重要化工过程的搭建，为诸如热源不稳定一类难题提供相关可执行办法。目前，部分成果已在国际材料和能源化工领域的著名杂志Journal of Materials Chemistry A、Applied Energy、Chemical Engineering Journal、Chemical Engineering Science等发表。

运筹帷幄，方能决胜千里。远眺未来蓝图，李孔斋已经做好迎接时代挑战的准备。可以预见的是，他会带领着团队为能源发展注入一支强有效的催化剂。