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李灿:让人生在神奇的催化世界中精彩绽放

中华英才 作者:齐殿斌 2017-10-09 10:13

核心提示: 专访首届“全国杰出科技人才奖”获得者、中科院院士中国科学院大连化学物理研究所研究员

他从大西北农村走来,刻苦学习让他赶上了高考的机会,并成为一名人民教师;跨入中科院大连化学物理研究所,他闯入了神奇的“催化王国”,由此开启了精彩的人生:他确定了汽车尾气处理三元稀土催化剂的活性氧物种;他开拓了纳米反应器中的手性催化合成;他研制成功我国第一台催化研究的紫外拉曼光谱仪、鉴定催化剂活性中心结构,并拓展到深海探测,填补了国内空白;他率领团队解决多项世界催化领域前沿基础科学难题;他带领团队从催化基础研究成功研发汽油和柴油脱硫催化工业化技术,为缓解我国雾霾做出贡献。他是第一位中国科学家当选国际催化学会理事会主席。如今,他带领着团队拼搏在太阳能光催化人工光合成研究国际前沿领域,为解决清洁能源难题而默默耕耘在科研第一线。

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全国政协副主席、科技部部长、中国科协主席万钢为李灿颁奖  齐殿斌摄

2004年7月16日,第十三届国际催化大会在巴黎举行,来自65个国家和地区的2100余名代表共同见证了一个特殊的时刻:4年一度的世界催化研究领域的最高奖——国际催化奖,第一次授予一位来自发展中国家的科学家,这位获奖者就是44岁的中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿。让李灿没想到的是,大会结束前,他又被选举为国际催化理事会新一任副主席(4年后担任主席)。这是中国科学家第一次在国际催化学术组织中担任如此高的职务,也是对中国催化界和中国催化学者的高度肯定。

近30年来,李灿不但在催化基础科学领域不断挑战世界性难题,取得一系列成果;他还带领研究团队成功研发清洁汽油和柴油两项催化脱硫新技术并工业化应用,为缓解我国大气雾霾频发做出重要贡献;近10多年来,他筹建太阳能研究团队,在太阳能光催化基础科学领域取得多项国际先进水平研究成果,将我国太阳能光催化研究推向国际前沿……2016年6月,在中国科协第九次全国代表大会上,李灿荣获“首届全国杰出科技人才奖”。

经中国科协推荐,日前本刊记者有幸在大连化学物理研究所的洁净能源国家实验室,采访了李灿这位颇具传奇色彩的杰出科学家,了解他的成长之路和励志故事,听他讲述多年做科研的切身体会和感受。

发奋苦读,跨入科研“国家队”

1960年,李灿出生在甘肃省永昌县朱王堡镇一个乡村的普通农民家庭,父亲不识字,母亲只有小学三年文化。他从小就特别爱读书,在上小学、初中、高中时,学习成绩一直非常好。因为没有恢复高考,1976年高中毕业后他回农村干农活。“文革”期间的初中、高中基本没有规范的教材和教学,在此期间,他利用空闲,拼命找书读。“那是个知识贫瘠、学习资源也贫乏的年代,有书读就很满足,什么诗歌、散文、小说,古典文学……借到什么读什么,真可以说是如饥似渴。”

1977年恢复高考,远离城市的农村娃李灿并不知道高考是怎么回事。李灿的一位高中老师想到了他,知道他学习好,参加高考或许有希望,于是骑自行车几十里路到乡下找到了李灿,告诉他高考的消息,建议他到县高中参加高考短期培训,并资助了他20斤粮票。当时家里非常困难,父亲重病卧床不起,家里的农活全压在李灿身上。虽然老师告诉有这个机会,但他最终还是放弃了去县城复习的机会。只好把“文革”时期的旧课本找出来看看。报志愿时,父亲语重心长地说:“咱们农村乡亲看病太难了,你考个能看病的学校吧,将来当个大夫好回来为乡亲们解除病痛。”

由于家里弟弟妹妹还小,李灿只能白天干活,晚上复习。高考后没有被医学类大学录取,无法实现父亲让他学医的愿望,最终因填报志愿时选择了“服从分配”,被本省的“张掖师专”化学系录取。

虽然上的学校和专业并不理想,但李灿却特别珍惜这来之不易的学习机会。每天除了上课认真听讲、做笔记、预习第二天的课程外,大部分时间钻图书馆,疯狂地博览群书,广泛涉猎化学专业外书籍,包括文、史、哲、物理、数学方面的,如饥似渴地阅读那些过去想读而无法借到的书籍,上学第二年他就开始自修本科三、四年级的课程。

勤奋刻苦的学习,让李灿各门功课成绩在班级里都名列前茅,而且对许多问题都有自己独到的见解,很快他在学校脱颖而出,备受老师青睐,还没有毕业,学校便决定让他破格留校任教。

成为人民教师后,他积极投入课堂教学和实验教学。当时学校条件极差,学生实验的基本设备和仪器都缺乏,要从头购买筹建。李灿认真准备每一堂课、每一个实验,讲起课来既生动,又充满趣味性,深受学生们喜爱,也备受领导器重,不久学校就把他作为重点培养对象推荐到陕西师范大学进修。

进修期间,李灿一如既往地发奋苦读,努力学习。不久,喜爱阅读的他在《化学通报》上看到了我国著名化学家、中国催化科学奠基人之一、中科院大连化学物理研究所张大煜先生的一篇关于“原子簇与催化和表面科学”的文章,阅读这篇文章后启发了李灿对催化科学的浓厚兴趣,决定报考大连化学物理研究所的研究生。

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。这里人才济济,有很多享誉国内外的科学大家,李灿犹如进入了神圣的科研殿堂。来到大连读研究生,他顾不上欣赏海滨城市的美景就如饥似渴地学习起来,即便节假日也很少休息。读完硕士研究生后,他又考取了博士研究生。

钟情“催化”,挑战难题结硕果

催化基础研究是李灿的主攻方向。读博士期间,国际催化界著名科学家、日本东京工业大学大西孝治教授来大连化学物理研究所访问,参观交流中对李灿的研究结果和见解很欣赏,提出接受他到日本攻读博士。在他的大力推荐下,李灿获得了联合国教科文组织(UNESCO)科学强化奖学金,成为中日联合培养的博士生,赴日本东京工业大学进行为期一年的深造。

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李灿向学生讲解光催化测试实验设备

在日本期间的课题是关于汽车尾气三元催化剂的研究,李灿每天工作学习到午夜,系统研究了三元催化剂的重要组分稀土氧化铈的表面化学和催化性能,他最早利用原位分子光谱确定了稀土氧化物催化剂上分子氧吸附活化物种,并确定了汽车尾气稀土催化剂上的氧化机理,研究结果先后在国际著名学术刊物上发表8篇论文,他的这些论文后来成为研究尾气催化剂的基础性文献,至今仍被学术界广泛引用。学习期满后,李灿立即回到大连化学物理研究所,投入到国内紧张的科研工作中。

“在日本学习一年,让我大开眼界,看到了当时日本先进的科研水平,感到我们国家与发达国家有很大的差距,也坚定了我回国做研究,尽快赶上世界先进水平的决心。”李灿说。

由于读博期间研究成果突出,1989年,李灿刚回国不久便获得了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,这一研究是李灿获得的第一个独立科研项目。

有了经费支持,李灿全身心投入研究,紧紧抓住表面氧物种及其甲烷活化这一关键性科学问题,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,观测到了甲烷在催化剂表面形成的活化吸附态及其结构畸变现象,连续在国际刊物上发表论文数十篇,这一研究成果也引起国际同行的关注,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”。也是在1993年,30出头的李灿被破格提升为研究员。

他告诉记者:“这之后,我有了一个愿望:希望去美国学习,以期全面了解国际催化前沿。这中间我已经短期访问过比利时、荷兰等欧洲催化强国,但许多领先的催化研究还是在美国。提出申请后,所里领导担心我到美国就不回来了。我向领导表示,我学成后肯定会回来的,因为我的事业在中国,我们中国的催化研究未来有很大的发展空间。”

1993年底,李灿来到美国西北大学催化研究中心做博士后。“这里当时被认为是世界催化研究的中心,我在美国做了3年博士后,研究工作取得重大进展, 研究水平得到显著提高,同时也清楚地看到了我们国家在催化研究方面与国际先进水平的差距。”

1996年,李灿从美国西北大学回到祖国的怀抱。谈到为什么要回国的问题时,他说,“在国外做得再优秀也只能是‘锦上添花’,回国做科研才是‘雪中送炭’。”

回国后李灿就立即投入到催化研究新技术紫外拉曼光谱仪的研发工作中。催化科学的发展离不开先进的表征技术,而仅仅靠购买商品化的现成仪器做研究是很难取得原创性的基础性科研成果。因此,自主研发催化研究的新技术一直受到国际催化界的重视,也是极具挑战性的任务。发展能够在工作状态下研究催化剂的光谱技术是国际催化研究的前沿方向。

经过两年多的奋战,克服一系列学术和技术上的难题,李灿终于在1998年研制成功国内第一台用于催化和材料研究的紫外拉曼光谱仪。他立即将这一新技术应用于解决催化科学中的重大问题:在催化剂表面积碳失活、分子筛合成机理、杂原子分子筛结构以及氧化物催化剂表面物相鉴定等几个催化科学的重要方向相继取得进展。其中关于鉴定分子筛催化剂中骨架过渡金属杂原子的工作受到国际催化学术界的高度评价,被认为是鉴定杂原子活性中心最为可靠的一种方法。

李灿这方面的研究成果不仅在国际刊物上发表了数十篇论文,还获得十多项具有自主知识产权的专利,这项技术获得了中国科学院发明二等奖和国家发明二等奖。基于紫外拉曼光谱和紫外共振拉曼光谱的催化表征研究,取得了系列催化研究成果,他于2011年获得国家自然科学二等奖。

升级油品,助力蓝天保卫战

李灿非常重视基础科学研究对于人类社会发展的作用,尤其倡导应用基础研究要注意解决人类社会发展中的基本问题:如健康、环境和能源等关乎社会可持续发展的问题。

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李灿带领学生在郊外学习自然光合作用原理

针对健康问题,李灿在回国后不久就启动了手性药物中间体合成的多相催化合成的研究,努力解决手性药物中间体合成过程的纯化和连续化生产等关键技术难题;他一直关注我国环境生态问题,早在2000年前,李灿就开展了清洁油品生产的催化研究项目,之后长期坚持进行油品深度脱硫的应用基础研究,先后发展了汽油超深度催化反应吸附脱硫和过渡金属层状硫化物上柴油催化加氢脱硫的技术。

近年来,我国许多地方频繁遭受严重雾霾,给人们出行和健康带来了很大的负面影响。机动车的尾气排放是大气污染的重要组成部分,车辆的迅速增加是我国很多城市频发雾霾的主要原因。2016年,为解决雾霾问题,作为全国政协委员的李灿,提出了油品升级和汽车尾气催化剂检查更换的提案,被列为全国政协重点督办的提案。李灿不仅在全国两会上提出提案,同时,为缓解大气污染问题,李灿和他的团队及时地将多年来实验室研发的清洁油品催化技术推向工业化应用。他的研究团队在历经10余年基础和应用基础研究的基础上,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;这些工作对我国清洁油品生产技术做出重要贡献。

我国油品经过了国三、国四标准阶段,现正在普及国五,并争取国六。李灿说,提高油品质量需要进行油品的超深度脱硫,因为机动车和发电厂排出的硫氧化物,一方面接触水和灰尘粒子形成PM2.5,直接污染大气,伤害人民健康;另一方面,硫氧化物附着在建筑物上吸水后形成酸,腐蚀建筑物表面,这也是为什么我国的建筑过一段时间之后看上去污浊陈旧的原因。同时,硫化物在汽车尾气处理中,会使催化剂中毒,使处理尾气的催化功能下降,这几个方面都导致大气污染,所以油品升级是必需的。我国正在积极推动国五、国六油品的生产和使用,并出台了“史上最为苛刻的环保法”,要求2018年底所有机动车更换为国五标准汽油和柴油。李灿的工作响应政府号召、升级油品,在蓝天保卫战中做出了积极贡献。

不惧艰难,再攀科研新高峰

在紫外拉曼光谱催化研究等几个方面取得重要进展的同时,李灿又前瞻国际催化科学的发展和我国国民经济发展的重大需求,及时瞄准关乎人类生态文明建设方面的研究方向。经过在日本、美国和欧洲的考察研究后,2001年,他选定了太阳能科学转化的研究,特别是太阳能光催化分解水制氢这一世界性难题作为以后的主攻方向。

当时有同事劝他:“这项研究风险太大,不管怎么说,你现在正在进行的研究正是最好的时候,在国内外催化界也有名气。进入一个极具挑战的领域后果未知,你可要慎重啊!” 李灿知道朋友们都是一片好心,但他说:“搞科研随时都会面临失败,但我认为挑战一个世界性难题本身就是一件有意义的事情,作为一名科技工作者,在科研道路上只要我努力了,即使失败了也值得,何况太阳能的研究本身就是人类未来的阳光事业,即便近期不能取得应用性成果,它也会带动相关科学领域的发展。”

为什么要进行太阳能方面的研究?李灿解释说,“太阳能是大自然赋予人类的财富。植物每天进行光合作用吸收的二氧化碳和水,在太阳光的作用下转化为生物质,这就是自然光合作用。而我们在实验室里实现光催化分解水或太阳能光催化二氧化碳合成燃料,实质上就是道法自然的过程。”

针对大气二氧化碳含量增加,温室效应日益严重的问题,李灿表示,目前比较多的建议处理方法就是简单的捕获储存,而这种方法虽在一定程度上可能起到减排作用,但存在很多问题。一是空间问题;二是安全问题;三是成本问题。“简单的捕获储存法属于一种被动的办法。”

李灿认为,从长远角度考虑,还是要通过光合作用平衡大气中二氧化碳的含量。光合作用需要充足的太阳能,据统计一天照射到地球表面的能量相当于人类现在每年消耗能量的上万倍,所以用这么大的能源转化二氧化碳可以匹配,而这个过程可包括自然光合和人工光合两个方面。自然光合包括大规模种草、植树造林来吸收二氧化碳,人工光合就是通过光催化,把二氧化碳和水转化为燃料,通过二氧化碳转化实现太阳能的循环利用,把二氧化碳作为一种资源利用是一种积极主动的减排策略。

目前太阳能人工光合过程还面临着效率和成本的问题,要把效率提高到可替代化石资源的水平还有很长的一段路要走。如果不计环境代价,现在的煤、石油价格非常低,只有太阳能转化效率提高到一定程度才可与其竞争,但李灿表示“相信人工光合成研究的未来是光明的”。

经过17年的努力,李灿率领他的科研团队在太阳能转化基础研究领域取得了长足进展,特别是太阳能光催化和光电催化分解水制氢方面,提出光催化剂的双助催化剂策略;发展了半导体光催化剂异相结促进光生电荷分离的策略;发现了半导体光催化剂不同暴露晶面之间的光生电荷分离效应。基于这些基础科学认识构建了多个高效的光催化体系等,这些工作将我国光催化研究水平推进到国际前沿。

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。“我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。李灿说,“科研是很具体的事,需要导师及时与学生交流、及时指导,尽到导师的一份责任。这个不能虚,必须踏踏实实。”

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洁净能源国家实验室是我国能源领域方面唯一的国家实验室  齐殿斌摄

“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。就是这一两件研究,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,如果不沉下心来,将不容易取得实质性大成就。”

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。第三是要持之以恒,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。”第四要有严谨踏实的学风。第五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。第六,攻克大的科学和技术难题,要培养一支优秀的科研团队,应该包容有各种学术背景的科学工作者,大家相互取长补短,共同前进。

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,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年获“首届全国杰出科技人才奖”。

对事业的执着追求,对国家的责任与担当,让李灿的人生在神奇的催化世界中绽放光彩!现在的李灿,每天依然从早到晚忙碌着:查阅文献,思考方向,挑战难题,与研究生们探讨学术问题、设计实验方案、共享成功的喜悦和失败的挫折……李灿说:“这种平实的生活就是我作为一个科学工作者最大的乐趣”!

后 记

正在本文发表之际又传来喜讯:鉴于李灿在太阳能光催化研究方面做出的突出成就,特别在太阳能光催化体系的光生电荷分离研究中所取得的原创性成果,2017年9月在日本仙台举行的日本光化学协会授予李灿“Elesiver Lectureship Award”奖励。

李 灿

1960年出生,中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师,2003年当选中国科学院院士。曾任中国化学会催化委员会主任、国际催化学会理事会主席、催化基础国家重点实验室主任、中国物理学会光散射委员会主任、中法催化联合实验室中方主任,英国皇家化学会Fellow,2005年当选第三世界科学院院士,2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士。先后获中国科学院自然科学二等奖(1993年)、中国青年科学家奖(1996年)、香港求是科技基金杰出青年学者奖(1997年)、国家科技发明二等奖(1999年)、国家自然科学二等奖(2011年),国际催化奖(2004年)、何梁何利科学技术进步奖(2005年)、中国科学院杰出科技成就奖(2005年)、中国催化成就奖(2014年)、首届全国杰出科技人才奖(2016年)等多项奖励。

(2017.09.16 第18期)