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点亮能源之路的领军人物—杰出校友李灿
发布时间:2021年05月21日 17:48  |  查看次数:[]

 

 

 

点亮能源之路的领军人物 ——记中科院院士李灿

 

李灿,永昌朱王堡人,理学博士,中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师。中国科学院院士、发展中国家科学院院士、欧洲科学院院士,历任研究组组长、催化基础国家重点实验室主任、研究所副所长;现任中国催化委员会主任;亚太催化学会创始人之一、理事会主席;曾任国际催化理事会主席(第一位发展中国家科学家当选主席);第十六届国际催化大会主席;中国光谱学会主任和中国物理学会光散射学会主任等。兼任中国科技大学材料与化学学院院长,兰州大学双聘院士。

 

发奋学习,步入科研之路

李灿于自然灾害时期出生在永昌县朱王堡镇一个普通的农民家庭。在文革期间读完小学、初中、高中,文革结束后参加高考,有幸获得进入张掖师专(今河西学院)学习的机会,后留校被派往陕西师范大学进修学习。

1983年,李灿以优异成绩考入中国科学院大连化学物理研究所攻读研究生学位,期间获联合国教科文组织奖学金,作为中日联合培养研究生在日本东京工业大学进行博士论文研究。在日本期间的课题是关于汽车尾气三元催化剂的研究。

1988年,李灿学成回国进入大连化学物理研究所,投入到国内紧张的科研工作中,不久便获得国家自然科学基金委员会新设立的青年科学基金,支持他在当时国际催化界的前沿课题——甲烷氧化活化方面的研究,这也是李灿获得的第一个独立科研项目。经过3年的努力,通过同位素示踪和变温原位红外光谱技术,观测到甲烷在催化剂表面形成的活化吸附态及其结构畸变现象,研究成果引起国际同行的广泛关注,并获得1993年度中国科学院自然科学二等奖,他个人获中国青年科学家奖

 

同年,李灿被破格提升为研究员。为拓宽学术视野,全面了解国际催化前沿课题,他前往美国继续从事深入的科学研究,选择国际催化界的朝圣之地西北大学催化中心。李灿在学校利用一切学习机会,全面了解美国科学教育和催化研究。他在西北大学心无旁骛,埋首研究,3年时间匆匆过去,带着充实的研究成果回国发展。

攻坚克难,获国际催化奖

1996年,李灿回到大连化物所,开展的第一个研究课题是启动我国紫外拉曼光谱催化表征研究。面对经费和人员短缺的情况,李灿申请到了国家基金委杰出青年基金和中国科学院的经费支持,暂时解决了经费短缺的困难。经过两年多的奋战,李灿逐一克服了紫外拉曼光谱技术研制过程中所遇到的种种难题,终于在1998年底成功获得工业分子筛催化剂的紫外拉曼光谱,标志着我国第一台紫外拉曼光谱仪研制成功。紫外拉曼光谱由于其高灵敏和高选择性,可在水相、气相、高温、高压条件下研究催化材料和催化反应,李灿很快将这一新技术应用于解决催化科学中的重大问题。

由于这项技术的创新性和对催化材料表征的重要意义,研制成功后立即受到国内外高度评价,1999年紫外拉曼光谱的技术获得中国科学院发明奖和国家科技发明二等奖。在取得多项基础科学研究进展的基础上,2011年紫外拉曼光谱的催化研究成果又获得国家自然科学二等奖,李灿因紫外拉曼催化研究工作获得国际催化奖(International Catalysis Award4年一次,每次一项,国际催化领域最高奖,也是中国科学家第一次获得此奖)。后来,紫外拉曼光谱研究从催化研究拓展到材料表征等更广泛领域,国际上大部分光谱表征实验室配备了紫外和中紫外拉曼光谱仪。近年来,李灿又将紫外拉曼光谱技术成功应用于我国深海探测;在紫外拉曼光谱技术研发基础上,又研制成功国际上第一台深紫外拉曼光谱仪和第一台短波长手性拉曼光谱仪等。

在进行催化研究的同时,李灿一直关注我国生态环境问题,大气污染和雾霾形成的原因之一是燃料油含氮含硫成分氧化尾气排放NOx,SOx,为了解决这个问题,他回国之初便布设了燃料油超深度脱硫的研究。

李灿带领研究团队先后探索氧化脱硫、吸附脱硫和新型催化加氢脱硫几条路线。经过十几年的努力,油品超深度脱硫的应用基础研究成果最后形成汽油和柴油超深度脱硫两项工业化技术而得到推广应用,于2015年在山东恒源石化,40万吨/年规模生产国五标准汽油工业化开车成功,2016年又与延长石油集团合作,成功开发20万吨/年国五标准柴油生产技术并成功工业化。这些技术在工业化示范后,在多地企业进行推广应用,为打赢蓝天保卫战作出了贡献。

砥砺前行,直面光催化难题

自工业革命以来,由于人类过度开发煤、石油、天然气等化石资源,向大气环境排放大量污染物和巨量的二氧化碳、甲烷等温室气体,严重破坏了数亿年形成的大气生态平衡,导致气候变化、极端天气频现、海洋酸化,生物物种加速灭绝,更危险的是温室效应导致地球大气环境温度上升,两极冰川融化加速、海平面上升。太阳能科学利用是有望从根本上解决人类生态环境问题的途径,但这是一个世界性难题。

1999年和2000年,李灿先后利用在英国利物浦大学和日本做短期访问教授的机会,带着这些思考对欧洲和日本进行了学术考察。2001年,李灿做出了他科研生涯中一个重大的决定:将正在进行的传统催化研究的重心转向以太阳能为代表的可再生能源的研究,决定启动太阳能光催化分解水制氢研究。

太阳能光催化分解水制氢研究从上个世纪七十年代开始就有人尝试过,但由于这个课题的巨大挑战性,进展缓慢,国内外该领域相关研究团队纷纷退场转向,到本世纪初鲜有人继续坚持研究,在研究由热转凉的大背景下,李灿面对巨大压力义无反顾,启动了这一方向的研究。光催化研究之初设备、经费都没有着落。但由于这是一个战略远景的研究方向,所幸后来陆续得到国家基金委、科学院和科技部的资助,使太阳能光催化的研究发展起来,一直坚持到现在。

光催化分解水的实验工作启动起来了,但更大的困难是这个领域核心科学问题的凝练。尽管国内外许多科学家曾做过大量探索性研究,但对于光催化分解水制氢的关键科学问题并不十分清楚,因种种原因,这个领域的研究进展十分缓慢。因此,研究初期,李灿的主要精力集中在甄别决定光催化系统的最关键的因素,经过大约三四年时间的探索努力,他基本上搞清楚了决定光催化体系性能的三个瓶颈。明确了基本科学问题,他随后的研究分别在高效捕光材料、光生电荷分离机制和高效助催化剂三大方面部署研究课题。到2008年左右,相继在宽光谱捕光材料、电荷分离机制和双助催化剂方面取得进展,国际光催化领域开始关注他们的研究。

光催化分解水和二氧化碳转化是道法自然光合作用的过程,所以,李灿特别重视从自然光合作用中学习,仿照自然光合作用原理,在国际上首次构筑自然光合作用的PS(光系统)与人工光催化剂杂化体系,借助PS的高效水氧化功能和人工光催化剂的质子还原产氢的功能,成功实现了完全分解水放氢和放氧的过程,之后又进一步将PS与光电化学体系耦合,实现了高效水完全分解过程。在光催化基础研究方面,先后取得这个领域的多项标志性成果:合成了含氮含硫复合物半导体捕光材料,捕光范围拓展到600nm;提出双助催化剂策略,光催化质子还原制氢反应量子效率达到93%,至今仍为世界纪录;发展了异相结电荷分离理论;多个光催化体系的效率达到国际最高水平。这些基础研究的进展引起国际学术界重视,李灿先后多次被邀在国际顶级学术会议高登会议上做主旨报告、并被选为太阳燃料的高登会议主席,被授予日本光化学学会颁发的光化学奖;由于在国际光催化领域的突出工作,先后两次参与和主持CS3五国化学会(中国、日本、美国、德国、英国)高峰论坛并形成太阳能研究国际白皮书在全世界发布,为推动国际太阳能研究发挥了作用。

 

李灿利用太阳能等可再生能源的电催化分解水研究,研发出碱性体系目前国际上最优活性、长寿命、廉价电催化剂,使电解水效率由传统的60%左右提高到80%以上,又研发了二氧化碳加氢合成甲醇的催化剂,基于这两项技术取得突破,集成光伏-电解水制绿氢技术和二氧化碳加氢合成甲醇技术,2020年在甘肃兰州新区成功完成全球首套千吨级液态阳光甲醇合成的工业化示范,这为规模化太阳燃料合成奠定了基础,液态阳光甲醇合成过程的成功引起各方面的高度重视,被认为是实现碳达峰碳中和的重要路径。

沉下心来,踏踏实实做学问

近年来,李灿把很大的精力集中在攻克太阳能人工光合成的催化研究中,为了在这一挑战领域持续不断地取得进展,李灿在培养青年人才和带队伍方面倾注了大量心血,在中科院大连化物所筹建了太阳能研究中心和太阳能研究组群,他既当学术带头人,又当导师。他的大部分时间是和研究生、博士后在一起,大部分精力用在带年轻人上。李灿指导学生每周召开一次组会,20年来坚持如常。现在研究团队人多了,李灿就把他们分成若干个小组。不同研究方向的学生在一起讨论,交流融合,互相启发。对于学生的实验数据李灿都亲自核定,凡他负责的文章都要亲自把关修改。

 

一个人的精力有限,一辈子能做成一两件研究工作就很不容易。但这一两件研究,要做好、做到国际上去,必须要全身心投入。为了专心搞科研,李灿辞去了许多社会职务和兼职,他想把自己的时间尽可能多地花在实验室,花在与学生的讨论中。要想把中国的科学搞上去,必须有一大批科学家能够脚踏实地工作在第一线。对于科学工作者来说,搞科研要有沉下心来的决心和持之以恒的毅力,不然很难取得实质性大成果。

说到自己这么多年坚持做科研的体会,李灿表示,首先是要选好方向或题目,要选择那些对国家、对人类、对科学领域贡献大的方向或题目。其次要讲究科学方法,根据自己的兴趣、知识基础、经验积累和课题的性质等,决定攻克难题的研究方案。还要持之以恒,坚持不懈。我做研究很少有短平快,也不盲目追热点,启动一个研究项目往往经过长时间思考、反复慎重的论证。一旦选准了就要坚持,要有定力,不轻易放弃。要有严谨踏实的学风。要注重学科交叉融合和国内外合作,善于借鉴,善于学习新东西,不能孤立起来搞科研。

李灿在科研之路上不断攀登新的高峰,取得了一个个丰硕成果,也获得了一系列殊荣:2003年他当选为中科院院士(为当年最年轻的院士之一),2004年获得世界催化界最高奖——国际催化奖;2005年当选为第三世界科学院院士、2008年当选为欧洲人文和自然科学院外籍院士,并被选举出任国际催化学会理事会主席;2014年获中国催化成就奖,2016年在科技三会上获首届全国杰出科技人才奖2017年获日本光催化奖2018年获中国光谱成就奖2019年获亚太催化成就奖2020年获国际清洁能源创新使命领军者等奖项。

作为从金昌走出去的科技领军人物,李灿一直关注着家乡的发展变化。我的父母在多年前已先后过世,父母逝世后,我回老家的次数比较少了,但我是西北人,金昌永远是我的故乡。李灿寄语,希望金昌在经济社会发展中重视生态环境保护,加大乡村教育投入力度,让乡村传统文化生生不息,把家乡建设成人与自然、传统与现代融合的新农村美丽家园。

 

 

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