植根电化学应用 创新低碳绿色技术——记华东理工大学化工学院教授张新胜及其团队

张 闻 孙雅琴

一提起化工行业，人们普遍对这一领域的印象就是与污染、毒害和危险相伴，不少人谈“化”色变，唯恐避之不及。21世纪以来，在世界能源需求日益突出、环境保护意识不断强化、信息技术变革日新月异的时代大背景下，电化学技术逐渐成为炙手可热的研究领域，并在近些年来进入了发展的黄金时期。

电化学技术是一门绿色的工业技术，其工艺本身的特点正是当前化学工业发展中颇受重视和关注的高效、节能、安全、无公害工艺。现如今，在我国工业三废排放量仍居高位，工业污染治理投资空间巨大的社会现状下，加强电化学技术的工业应用更是迫在眉睫。华东理工大学化工学院教授张新胜所领导的科研团队便是我国深耕在这一领域的中坚科研力量。

“科研不是纸上谈兵，而是要通过科研院所、应用单位共同合作，完成当前国家与社会发展所需要的科研课题。”秉承着这一宗旨，多年来张新胜领导科研团队面向化工、能源和环境需求，扎根于电化学技术应用中，先后承担国家及企业项目30余项，成为国内少有的能够通过电化学方法来成功实现高附加值有机化学品、电子化学品、工业废盐高值转化的工业应用研究团队。三十年如一日，他和团队真正做到了脚踏实地，将科研写在祖国大地上。

张新胜

以梦为马——不懈进取的求学之路

1984年7月，从湖南大学基本有机化工专业本科毕业的张新胜被分配到河南省洛阳化工四厂工作。在企业一线工作的5年间，他从新产品研发到新产品装置的设计、安装和试运行，积累了丰富的实践经验。勤学好问的他，在企业工作期间曾多次前往上海，向华东化工学院祁国珍教授和复旦大学陶凤岗教授求教，两位教授给予了他无私的帮助，让张新胜受益匪浅。但是，随着深入研究探索，他也逐渐感受到所学知识不足以解决工作中遇到的技术问题，因此下定决心要进一步深造。当他向工厂申请考研时，工厂却不同意他外出学习。在这种情况下，张新胜仍旧没有放弃继续深造的决心，经过两年多的努力，他的真诚最终打动了领导，并同意了他的报考请求。

功夫不负有心人，张新胜顺利于1989年9月和1993年2月进入华东化工学院精细化工专业和华东理工大学化学工程专业学习。

博士阶段，张新胜师从袁渭康院士，正式开始了有机电化学研究。这一阶段的学习对张新胜来说是一个严峻的考验，因为之前他既没有电化学方面的知识，也缺乏化学工程方面的知识，而且研究工作还需要用计算机开展模拟计算，没有用过计算机的他不仅要补学计算机知识，还要自学计算机编程语言、数学建模、数值分析方法等知识。其中所付出的努力与收获的成长，正如张新胜在博士论文致谢中所说：“在这三年半的学习中，我扬短避长，致力于弥补自己的不足之处，不仅扩大了知识面，还开阔了自己的研究视野。”虽然博士期间的研究工作都是从零开始，但张新胜最终凭借自己刻苦好学的精神圆满地完成了研究工作。1997年博士毕业后，他成功以人才引进方式调入华东理工大学开展教研工作。

基于本硕博不同专业的学习经历，又有多年企业工作经验，张新胜在应用技术开发方面逐渐变得更加得心应手。“事实上我们做工业应用开发与企业交流十分频繁，工厂一线的工作经历也让我更加熟悉产业一线的情况，知道怎样与企业交流——不仅要了解具体项目，还要了解相关的工艺过程及分析检测的方法等，这些对我们从事科研应用开发是非常有益的。”他说。

在多年的研究生涯中，张新胜从未囿于现状，而是积极推动研究与国际接轨。为了汲取更多前沿的科研技术与思想，张新胜还分别于2011年和2016年前往美国得克萨斯大学奥斯汀分校化学系、美国佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院进行访问研究。“当时我们团队开展电化学领域的相关研究也已经20多年了，但对于光电催化分解水制氢、新型结构燃料电池等新能源领域的相关前沿研究涉猎还比较少，所以想去国外这一领域更加优秀的科研团队学习一下。”张新胜说。在国外的研究旅程中，他在国际著名电化学专家巴德（Allen J.Bard）教授团队学习到了先进的研究思路及科研理念、科研方法，并将自己学习之所得应用到之后的团队管理与科研创新中。

电化学绿色技术合成高附加值化学品

我国化工行业的产业结构主要集中在低端层次，高附加值化工业与发达国家存在较大的差距，不能满足化工行业转型升级、高质量发展的需要，这成为制约我国高端制造业发展的重要瓶颈。在这一现状下，张新胜领导团队在电化学绿色技术合成高附加值化学品中开展了大量工作，并取得了诸多创新性科研成果。

张新胜团队研发的草酸电解生产乙醛酸的工业化技术，具有产品收率高、质量好、成本低、无三废污染等特点，是乙醛酸生产的未来主要发展方向。值得一提的是，早在2000年张新胜团队开发的乙醛酸工业单台电解槽，目前仍是国内有机电解槽中单片电极面积最大、工业单台装置运行的各项指标均处于国际先进水平的装置。现如今，张新胜团队正在与东华科技共同开发更大面积的千吨级中试装置，为实现万吨级装置的目标而攻关。

坚持自主创新，张新胜团队不断打破国外在相关领域的技术限制。他们还于2006年首创了三膜四室电解槽，成功实现了电化学方法制备四丙基氢氧化铵-钛硅分子筛专用模板剂，这项技术不仅绿色清洁、产品品质高，而且生产成本低，可以完全取代废水量大的离子交换树脂法。四丙基氢氧化铵的电解技术应用后，成功解决了制约我国钛硅分子筛T S-1发展的关键模板剂品质不佳的难题，促进我国钛硅分子筛快速发展。这一成果从2009年开始工业应用后，迅速占领国内市场，替代相关产品进口，还远销欧美。

目前张新胜团队又瞄准40多年来国内一直未能突破的两大工业难题：丙烯腈电解合成己二腈、硝基苯电还原制备对氨基苯酚。研究团队已与乌海市恒业煤化签订合同开发十万吨丙烯腈电解合成己二腈工业技术的合作方案，并全力投身于相关技术的攻关工作中。

电化学技术制备高纯微电子化学品

21世纪以来，信息产业已成为世界经济中规模最大、发展最为迅速的产业之一。半导体工业是信息产业的基础和核心，影响面广、后续产业链长，关系到国家的经济和安全。一直以来，超净高纯化学试剂在国际上被称为“工艺化学品”，它是电子技术细微加工制作过程中不可或缺的基础化工材料之一，其洁净度和纯度对集成电路的电性能、成品率及可靠性有着十分重要的影响。

在电子级化学品中，四甲基氢氧化铵的需求最大。随着电子工业的迅猛发展和半导体装置的高度集约化，对四甲基氢氧化铵的纯度要求也越来越高。在这一背景下，张新胜领导科研团队从2005年开始了电化学方法制备电子级化学品的研究。当时他们花费了100多万元建立了超净电解装置、万级超净室和百级样品配制手套箱，购买了离子色谱等设备仪器用于微电子化学品的创制研究中。十多年来，他们依据产品特性成功开发了阳离子膜电解和阴离子膜电解技术，创新性发展了超纯微电子级四甲基氢氧化铵的电合成技术、独创超纯微电子级柠檬酸的制备技术等。

不忘初心，履践致远。近些年来，张新胜团队基于之前的研究基础，还在马不停蹄地开展超净高纯微电子化学品的电化学制备技术的前沿应用研究。通过不懈探索，他们在研究中探索了离子交换膜微结构对反离子阻挡规律、电解液流动状态对杂质离子脱除净化的规律，以及杂质被产物络合后难以纯化的问题。为了我国尽早突破“卡脖子”的芯片技术，团队把电化学方法制备用于下一代芯片的超净高纯微电子化学品作为今后主要的研究方向，开发低成本、无污染的超净电解技术。用电化学方法制备电子级磷酸、电子级草酸、电子级硫酸等研究正在有序开展中。

资源化处理工业废盐

工业废盐具有成分复杂、来源广泛、毒性大等特点。2016年《国家危险废物名录》明确将化学合成原料药生产过程中产生的蒸馏及反应残余物、化学合成原料药生产过程中产生的废母液及反应基废物划定为危险废物。基于工业废盐的巨大危害，对它进行高效无害化处理至关重要。早在2012年，张新胜团队就开始了含盐废水和工业废盐的科学处理与资源化利用研究，是国内开展废盐资源化利用最早的研究单位之一。

张新胜介绍，高含盐废水是指水中总含盐质量分数至少为1%的废水，一般常见于化工厂、燃煤电厂、制药厂等行业，这类废水中含有多种物质，产生途径广，水量也逐年增加，去除含盐废水中的有机污染物对环境造成的影响至关重要。“运用电解技术可以有效解决环境污染问题，例如用电解技术降解有机污染物、从含盐废水中回收无机盐，并将工业回收的废盐进行综合利用，转化成无机酸和无机碱来循环再生利用，也可以用于一些其他方面的清洁生产工艺。这些都是我们正在做的工作。”张新胜说。

盐的应用范围有限，应用价值低，工业废盐分盐后，不少企业只能将分盐产品以吨袋包装后长年隔离堆放。为了实现废盐的科学处理，他们将低价值或无价值回收固体盐通过离子膜电解生产出应用广泛的硫酸、盐酸和烧碱等，实现废盐的资源化利用。团队发明了新型结构电解槽用于硫酸钠电解技术，烧碱质量指标达到液碱国家标准，硫酸浓度为25%～30%。氯碱工业对氯化钠质量要求高，使用工业回收氯化钠不能满足氯碱生产要求，而且还可能在电解过程中产生爆炸性极强的三氯化氮，针对这一情况，张新胜团队还设计了新型电解槽，电解过程不产生氯气，直接生产13%盐酸和30%烧碱。他们还针对工业产生很多的杂盐和混盐等难处理问题，创新性地开发了氯化钠/硫酸钠、硫酸铵/硫酸钠、氯化钠/硫酸钠/硫酸铵等混盐电解新技术。这些技术可以根据用户需求，选用对应的工艺进行电解，进而解决了企业废盐的处置难题。

张新胜团队创新的盐电解转化制酸和碱技术，转化过程中会同时副产高纯的氢气和氧气。这一工业废盐的科学化处理方式副产的绿氢正好契合我国氢能产业的发展趋势。在“双碳”政策背景下，氢能作为最具发展潜力的二次清洁能源之一，在保障能源安全、调整能源结构、促进碳减排等诸多领域中发挥重要作用。近些年来，随着碳中和、能源转型发展逐渐成为全球共识，欧美日韩等20多个主要经济体已将发展氢能提升到国家战略层面，并相继制定发展规划、路线及相关扶持政策，加快氢能产业化发展。张新胜团队开发的科学的、可持续性的工业废盐的处理方法，不仅解决了企业中工业废盐处理难题，还将工业废盐实现资源化再利用，而且副产氢能的利用更让企业实现经济效益和社会效益双丰收，对氢能领域的发展和实现氢能经济具有重要的科学价值和实践意义。

团队携手——共筑化工未来

科研之路，道阻且长，行则将至。既要有只争朝夕的精神，更要有持之以恒的坚守。“从事科学研究就代表着我们基本上没有什么节假日，即使是周六日也基本上在准备和研读相关科研资料中度过。”张新胜说。他深知：在科学研究中，理论研究与应用研究都至关重要。将薄薄几页纸变成生产线、化为生产力，科学家们往往需要付出非常艰辛的努力。

一个成功团队的发展史，必然是一群志同道合者的奋斗史。一路走来，张新胜十分感谢自己的导师袁渭康院士，正是在他的引领下，张新胜踏入了电化学领域研究的那扇门，并一直坚守奋斗至今。同时，他还特别感谢孙世刚院士，团队的发展和成果得益于孙院士对他们20多年的持续帮助与指导。除此之外，他还要感谢与自己一路前行的科研团队。20世纪80年代，国内还鲜少有研究团队从事电化学应用技术及过程放大研究时，他所在的研究室已经在进行相关领域的探索。转眼三十载已过，他们凭借脚踏实地的努力及坚持不懈的创新，目前已经在电化学开发等方向的研究中，走出了一条属于自己的优势创新道路。

科研之火生生不息，薪火相传。登上教学岗位如今已二十余载，张新胜已经培养了接近100名硕士生及博士生。在学生培养上，多年来张新胜一直教导自己的学生：“发明创新不是凭空而来，而是源于对实验过程的仔细观察和对实验结果的逻辑分析”，这一过程就需要科研人员有着脚踏实地的态度及不懈求索的精神。而他也希望自己的学生能够一直秉承着“认真工作、真诚待人”的品格，只有养成这样的学习、工作作风，才能让他们在人生道路上拥有更多的机会。

对于科学研究来说，困难属于经常的，成功才属于暂时的。在张新胜看来，科研就是干一行、爱一行。只要在好奇心的驱使下，坚持不懈地去做，就一定能在科研领域中开花结果。一代人有一代人的“长征”，一代人有一代人的使命。未来，张新胜及其团队还将在电化学技术应用中砥砺前行，为化学工业的发展贡献源源不断的科研力量。