催化技術是化學工業(yè)相關生產(chǎn)的關鍵技術之一。90%以上的化學品、80%以上的化工工藝過程都與催化有著密切的關系。催化領域的創(chuàng)新研究一直以來都是化工行業(yè)創(chuàng)新的核心工作之一。
2023年12月6日，走遍中華，尋訪“匠”人“匠”室——“島津中國行”活動來到有著東北明珠之稱的千年古都——遼寧沈陽，與沈陽化工大學分析測試中心主任丁茯教授一起，分享了“化工的發(fā)動機”——催化的發(fā)展現(xiàn)狀與展望，以及沈陽化工大學的前沿科技和產(chǎn)業(yè)化進展。
丁茯教授目前任職于沈陽化工大學，是校分析測試中心主任，化學工程學院教授。同時，她也是比利時布魯塞爾自由大學的客座教授。
她的研究方向主要集中在催化劑的開發(fā)與應用；化工生產(chǎn)相關工藝的開發(fā)和改進；以及儀器設備研發(fā)、分析檢測技術開發(fā)等方面。在催化劑開發(fā)應用方面，其課題組一方面在光催化領域開展了稀土-貴金屬功能材料的合成、制備與催化應用研究，開發(fā)的納米光催化劑在光催化分解有機污染物和光催化分解水制氫方面有良好的催化效果和進一步深入研究的前景，獲得遼寧省自然科學二等獎；另一方面，開發(fā)了國內(nèi)外首例無Cr環(huán)保型糠醛高效氣相選擇加氫的催化劑，并成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在國內(nèi)糠醛加氫催化劑市場上占有重要位置。在儀器研發(fā)方面，其針對高溫高壓快速反應分析研究中極少涉及樣品在線快速伺樣的現(xiàn)狀，開展了適用于高溫高壓條件下微型反應器粉末在線快速伺樣技術及部件的研究，解決了此類反應特性研究手段的缺失；在環(huán)保領域，她承擔了基于氣體擴散采集分離技術與ICP-MS聯(lián)用的大氣重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)的專項，為大氣重金屬在線監(jiān)測，特別是突發(fā)性污染事故的應急監(jiān)控，提供了全新、高效的手段。
高精度高通量在線系統(tǒng)
助力大氣重金屬監(jiān)測
2023年，丁茯教授榮獲第十三屆“遼寧省優(yōu)秀科技工作者”稱號，代表性項目為科技部國際合作重大專項“基于氣體擴散采集分離技術與ICP-MS 聯(lián)用的大氣重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)”。
丁茯教授介紹，“眾所周知，大氣重金屬污染有兩個特點。一個是不可降解性，另一個是富集后檢測的滯后性。” 大氣顆粒物可吸附大量的重金屬污染物，這些重金屬污染物通過呼吸進入人體后，由于其不可降解，就會慢慢累積，累積到一定程度后就會造成各種人體機能障礙，引發(fā)各種疾病。因此，及時對大氣中重金屬的種類和含量進行監(jiān)控，進而準確評估大氣環(huán)境質(zhì)量、判斷空氣環(huán)境對人體健康的影響，進而實施大氣重金屬污染防治，特別是對突發(fā)性重金屬污染泄露事件的及時發(fā)現(xiàn)與處理，在線監(jiān)測都是極為重要和必要的手段。
大氣顆粒物中重金屬的監(jiān)測方法很多，目前的方法大多需要人工或半自動采集樣品后，運送到實驗室進行檢測。此類方法采樣周期長，流程繁瑣，易產(chǎn)生污染干擾以及人為操作誤差。因此，縮短采樣時間，簡化采樣流程，是環(huán)境科學工作者一直關注的技術發(fā)展熱點。
丁茯教授的“基于ICP-MS的高通量高精度大氣重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)”項目，通過解決前處理設備開發(fā)、模擬系統(tǒng)開發(fā)和后期校正因子計算等方面的困難，極大地提高了大氣重金屬檢測速度和在線檢測的準確度，實現(xiàn)了連續(xù)、準確、真實的大氣重金屬在線監(jiān)測，有效彌補了我國大氣環(huán)境在線監(jiān)測的精密度和準確度不足的技術薄弱環(huán)節(jié)。
催化行業(yè)迎挑戰(zhàn) 三管齊下助創(chuàng)新
丁茯教授介紹，“催化是化學工業(yè)相關生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，因此催化領域面臨的挑戰(zhàn)，也是我國化工領域發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。”
改革開放四十年來，我國已經(jīng)初步建成了一套完整的工業(yè)體系，化學工業(yè)整體規(guī)模已經(jīng)躍居世界第一，農(nóng)藥、染料、涂料等多個細分領域的產(chǎn)品產(chǎn)量也位居世界前列，但是高耗能、高污染、低附加值、產(chǎn)業(yè)結(jié)構有待轉(zhuǎn)型等問題依然存在。因此，如何利用綠色催化技術去實現(xiàn)生產(chǎn)的綠色化、環(huán)�；蔀槟壳拔覈すI(yè)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。在環(huán)保法規(guī)日趨嚴格的今天，為適應環(huán)境友好型生產(chǎn)的需要，針對性開發(fā)新型高效環(huán)保型催化劑，從而解決化工生產(chǎn)環(huán)境污染嚴重、能耗高、高端產(chǎn)品對外依存度高等瓶頸問題。同時，用于半導體等電子領域的功能性精細化學品生產(chǎn)，特別是高端產(chǎn)品領域，我國并未占據(jù)主導地位。因此，未來我國催化領域的發(fā)展方向之一將會是在此類產(chǎn)品領域中發(fā)力追趕。此外，生命科學成為眾多化工領先企業(yè)追逐目標的趨勢亦早已顯現(xiàn)，催化劑開發(fā)的研究和應用，也必然追逐這一趨勢，實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。
總之，我國化工行業(yè)，特別是催化行業(yè)的發(fā)展，將逐步從產(chǎn)品導向型向解決方案導向型轉(zhuǎn)變。
島津傾力合作 加速技術轉(zhuǎn)化
目前，沈陽化工大學分析測試中心使用的設備中，從XPS到紫外、從元素分析到組分和性能分析，都有島津設備的身影。“由于我們中心是校級平臺，同時也是遼寧省和沈陽市共享服務的先進單位。不論是校內(nèi)師生的科研攻關，還是上千家橫向課題合作單位的分析測試需求，從分析測試中心出具的測試數(shù)據(jù)中，都應用到了島津設備。島津分析儀器所提供數(shù)據(jù)的精準度、精密度、重現(xiàn)性，儀器系統(tǒng)自身的可操作性、人性化設計等，都受到校內(nèi)師生和合作單位的認可和好評。”
丁茯教授分享了兩個例子。
第一， 在與沈陽當?shù)仫暳掀髽I(yè)的合作中，需要精確檢測飼料中維生素含量，從而評估和保障家禽畜的健康和營養(yǎng)狀況。但是，常規(guī)的維生素檢測方法靈敏度低、特異性差、通量小，難以實現(xiàn)多種維生素的同時測定。“通過文獻的查找和自身經(jīng)驗的結(jié)合，我們最后確定使用島津的三重四級桿高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜來進行工作。”島津三重四級桿高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜不僅可以搭載常規(guī)ESI離子源和APCI離子源，也可使用DUIS離子源同時進行ESI和APCI兩種離子化過程，豐富多樣的配置可實現(xiàn)全譜維生素的高靈敏度檢測，克服了以往方法的諸多缺點，具有高靈敏度、強抗干擾能力和超快掃描速度等性能優(yōu)勢。在這個項目開展過程中，從儀器設備配置到后期樣品前處理，以及分析檢測方法的開發(fā)和確定，島津技術工程師都給出了非常有價值的建議，幫助項目如期完成。精準的檢測結(jié)果，為家禽畜的健康養(yǎng)殖、為百姓的餐桌的營養(yǎng)安全保駕護航。
第二， 在學校開發(fā)的生產(chǎn)生物柴油的催化劑的催化效率和催化產(chǎn)品評價工作中，利用島津的高效液相色譜法（HPLC）對柴油添加了不同濃度的廢棄食物油甲酯和棕櫚油脂肪酸甲酯（FAME）和甘油三酯進行分析。由于試樣含有多種成分，脂肪酸甲酯和甘油三酯會出現(xiàn)峰值增寬和扭曲的現(xiàn)象，使分析結(jié)果變得難于判斷。這些問題都通過島津數(shù)據(jù)處理軟件的分組功能進行量化分析而順利解決，從而為生物柴油催化劑的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化做出了重要支撐。
展望未來 潛力無限
沈陽化工大學分析測試中心是全國高校中較早建設的校級分析測試中心。從80年代末發(fā)展到今天，已經(jīng)發(fā)展成為一所集教學、科研、服務為一體的綜合性分析測試中心。沈陽化工大學面向國家和區(qū)域重大戰(zhàn)略需求，創(chuàng)新提出的內(nèi)構件移動床熱解技術、菱鎂輸送床閃速輕燒技術、生物基杜仲膠航空輪胎生產(chǎn)、寬溫結(jié)構化脫硝催化劑開發(fā)及其在工業(yè)窯爐煙氣深度凈化中的應用等技術都有著分析測試中心的參與，為我國落實碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)，促進雙碳目標達成做出了分析工作者的努力。
談到對島津的期望，丁茯教授說道，“未來中心計劃與島津建立聯(lián)合實驗室，聯(lián)合培養(yǎng)更多具有高水平專業(yè)能力的化工人才，共同推進科研成果的技術產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，為我國化學工業(yè)建設和發(fā)展做出老牌化工高校應有的貢獻。”
