日前，陜西省人民政府印發了《關于2022年度陜西省科學技術獎勵的決定》。獲獎成果涉及石油和化工行業22項，其中一等獎6項、二等獎8項、三等獎8項，涵蓋油氣勘探開發、煤化工、精細化工、新材料、資源環境和化工裝備等領域。此次獲得一等獎的成果既有科學技術進步獎，又包括自然科學獎，是近年來石油和化工行業獲獎級別較高的一次。本版今日起對獲得陜西省科技獎一等獎的成果進行解讀，以饗讀者。

　　太陽“曬”出氫和氨

　　——記陜西省科技獎自然科學一等獎成果高活性低成本水分解制氫催化劑  　　

　　太陽提供的能源是地球和人類賴以生存的基礎，也是取之不盡、用之不竭的可再生能源。將太陽能轉化成清潔能源——氫和氨，一直是全人類可持續發展的夢想。然而，當前全球96%的氫來源于化石燃料，制取工藝過程存在碳排放量大、條件苛刻、能耗高等問題。如今，西安交通大學、榆林學院圍繞太陽能驅動的光/電催化水分解制氫關鍵技術展開系統研究，提出了低成本、高活性水分解制氫催化劑的設計策略及其結構調控方法，實現了溫和條件下氫的低成本高效綠色制取，將夢想逐漸變為現實，也因此榮獲2022年度陜西省科技獎自然科學一等獎。

　　催化理論獲高度評價

　　太陽光向清潔化學能轉變，催化是關鍵手段。在催化反應中，催化劑設計則是關鍵難題。

　　西安交通大學化學工程與技術學院院長楊貴東告訴記者，經過10多年潛心研究，他們在水分解制氫催化劑的結構設計及作用機制研究方面攻克了許多科學難題，取得了突出業績。例如，他們針對光電催化劑界面載流子極易復合問題，通過構筑同質節、異質結等手段，強化水分解反應過程中光生電荷的定向遷移，有效降低了光生電子和空穴的復合;針對傳統催化劑光滑表面難以實現水分子有效吸附的難題，通過構筑催化劑表面缺陷位點，揭示水吸附影響界面反應速率的作用機制，闡明水吸附對產氫活性的關鍵作用;針對光催化界面反應速率低的問題，開發了精準調控催化劑孔道結構與限域反應空間的新策略，實現了分解水產氫活性的顯著提升。同時，針對光催化全解水反應過程中熱力學能壘過高和動力學過程復雜的問題，他們通過雙助催化劑的功能化表面設計，改變反應路徑，降低反應能壘，顯著提升了全解水活性。

　　這些創新的學術成果，贏得了國內外專家學者的高度評價。英國皇家工程院外籍院士、新加坡工程院院士、新加坡國立大學副校長Seeram Ramakrishna教授表示，這種高結晶度魚鱗狀氮化碳多孔納米片非常有利于光吸收以及電荷轉移與分離，增強光吸收能力和光催化活性，產氫速率較普通納米片提升了2.93倍。美國環境保護署(EPA)高級科學家、捷克帕拉茨基大學Rajender S.Varma教授表示，楊貴東團隊研發的有序多孔結構催化劑，能有效促進電荷體內到表面的遷移，降低電荷復合率，進而促進氧化還原反應。

　　從綠氫到綠氨的跨越

　　合成氨是揭開現代化學工業序幕的標志性工藝。當前，全世界以哈伯法工藝為主的工業合成氨年產量已達2.5億噸。這種高溫高壓的合成工藝能耗較高，每年總耗能約占全球總能源消耗的2%，二氧化碳排放量約占全球總碳排放量的1.6%。

　　太陽能驅動的光/電催化分解制氫，是一種高效、綠色、低碳的顛覆性制氫技術，具有主反應過程零碳、低能耗、常溫常壓等特點。但氫氣存在不易儲存、能量密度較低的缺點。這個思路能否用于太陽能光電催化合成能量密度較大、可作為儲氫載體的氨，從而將合成氨反應條件從傳統哈伯法的高溫高壓變革為常溫常壓?楊貴東團隊又向這個全球顛覆性制氨技術發起了科學挑戰，承擔了科技部光電催化領域國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項項目——低能耗、低碳排放氮氣—水光電催化合成氨關鍵技術。

　　“我們通過聚焦催化作用原理、反應器設計、系統集成等研究，開發了新型銅基合成氨催化劑及其可控宏量制備技術，闡明了光電催化反應條件下N-N鍵活化和N-H鍵形成的作用原理，構建并聯的光電催化合成氨反應器系統，形成自主知識產權的顛覆性合成氨制備技術�！睏钯F東說。該技術將哈伯法的氮氣—氫反應體系變為以濕空氣為原料的光電催化轉化新體系，在太陽光照射條件下一步生產稀氨水，開創了低能耗、低碳排放、短流程的綠色合成氨新途徑。

　　據介紹，楊貴東團隊創新發明了一套自主知識產權的反應器裝備，去年在西安完成反應器部件及聚光部件的集成設計與實驗性能測試。試驗結果表明，當太陽光照射在反應器陽極時濕空氣瞬間發生反應，在常溫常壓條件下單個反應器氨產量達4~5克/小時。

　　記者了解到，這種變革性的合成氨技術正在邁向工業化。目前，楊貴東團隊與國能榆林化工有限公司和華陸工程科技有限責任公司開展合作，進一步研發高效生產技術裝備系統，通過工藝整合與設備系統結合，將光電催化合成氨全新生產工藝推向產業化應用。8月下旬，全球首套百噸級光電催化合成氨集成工業示范項目合作協議簽約，啟動開展工藝包編制及工業示范裝置建設，預計明年上半年在陜西榆林建成并試運行。據測算，這種合成氨新工藝噸氨產品耗能(煤、電)幾乎為零，水耗僅為0.1噸，投資及成本大幅下降，而且無“三廢”排放。