社科在线文/周丽
催化剂是能在化学反应里改变反应物化学反应速率而不改变化学平衡、且在化学反应前后都没有改变其本身质量和化学性质的物质。催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位。据统计，约有90%以上的化学工业过程中使用催化剂，如化工、石化、生化、环保等。未来催化剂在科学理论研究、清洁能源的开发与利用、环境保护以及提高经济效益都有极大的发展前景。简言之，人类的生存发展，吃穿住行离不开催化剂及其发展。
2021年10月16日，第二十届全国催化会议在武汉盛大开幕，北京大学化学院谢有畅教授荣获中国催化成就奖(冠名张大煜奖)。催化成就奖是中国化学会催化委员会颁发的最高学术奖励，因此以中国催化科学的先驱者——张大煜冠名，授予在催化科学和技术研究中做出原始创新性或创造性成果、对中国催化科学的发展或对我国催化领域重大应用方面做出突出贡献的中国催化科学工作者，在国内外催化界有较大的影响和较高的认可。这一奖项，无疑是对谢有畅一生科研苦旅的至高肯定与回馈。
谢有畅1934年出生于广州，1957年从北大化学系研究生毕业后留校任教，长期致力于物理化学、结构化学和固体表面化学的教学，以及催化剂、吸附剂和纳米材料等的基础研究和技术开发工作。1973年，他与唐有祺教授在北京化工研究院合作研究聚乙烯高效催化剂及氧氯化催化剂的过程中，发现活性组分在载体表面存在单层分散现象，且在活性组分达到单层分散阈值时催化活性达到最大值。1979年7月，相关论文《聚乙烯高效催化剂的结构和机理研究》在《中国科学》上发表。1990年他与唐有祺应邀在“Advances in Catalysis”发表自发单层分散总结性论文，单篇被引用800多次，是该年我国被引用最多的一篇科学论文。该基础研究成果获1986年国家教委科技进步一等奖，在中国表面化学和催化领域产生了重要影响。经过三十多年的探索与发展，自发单层分散现在已成为催化材料制备普遍应用的理论，利用自发单层分散原理形成的技术，已经应用到催化和吸附的多个领域。
几十年的工作中，谢有畅在如何平衡好科研、教学和工业应用研究三个方面的关系总结出了扎实可行的经验，他认为：“在教学中能打下扎实的理论基础，在基础研究中能快速抓住问题的本质，而且在基础研究中发现有重大应用机会时，可进一步做出工业应用成果。”对谢有畅来说，教学、科研和工业应用三者非但不矛盾，反而是相辅相成、相得益彰的，这也促成了他在科技创新之路上的诸多发现和成就。
发现自发单层分散现象
谢有畅从23岁研究生毕业开始投身于教学，带过物理化学实验，主讲过物理化学课和结构化学课，编写出版过《结构化学》基础课教材，开过专业课《固体表面化学》。除了“文化革命”下放劳动锻炼和出国进修外，教学从未间断过，虽然如此，一旦有机会搞科研，他便能很快上手。
文化革命期间，谢有畅参加了“开门办学”，并在北京化工研究院从事催化剂研究。当时国际上刚发现聚乙烯高效催化剂TiCl₃/MgCl₂，和传统的聚乙烯催化剂TiCl₃相比，活性组份TiCl₃用量少百倍以上，活性却差不多，这不仅可大量减少过渡金属的用量，还可省掉洗除催化剂的后处理工艺，使生产效率大大提高。唐有祺院士推测其高效的原因可能是活性组份TiCl₃在载体MgCl₂表面呈单层分散，之后他们进行了X-光衍射实验，发现研磨可使MgCl₂晶粒变小，但表面积变得很大，故TiCl₃是以单分子层形式分散在MgCl₂表面从而得到高效催化剂的，它并不存在TiCl3晶相。
接着他们又研究了氧氯化催化剂CuCl₂/У-Al₂O₃,它是用CuCl₂溶液浸渍载体У-Al2O₃烘干后得到的，且X光衍射证明此催化剂的CuCl₂含量在高达10%以上也看不见其晶相，这表明CuCl₂也以单分子层形式分散在У-Al₂O₃表面。另外，将约10%CuCl₂粉末和-Al₂O₃粉末干混后，在远低于CuCl₂熔点(498℃)的温度(350℃)下焙烧，CuCl₂晶相完全消失变为单层分散，这说明单层分散是一个热力学自发过程。于是他们想到：活性组份在载体表面单层分散可能是催化剂制备中一种相当普遍的现象。为此，他们开展了系统研究，并证实了此结论。
1982年他们在《中国科学》发表了论文《某些催化剂活性组份在载体表面分散的自发倾向》，并受到诺贝尔奖获得者G.Ertl教授邀请，在第八届国际催化大会上介绍此项发现。有关自发单层分散论文先后共发表了一百多篇，其中包括1990年应邀在“Advances in Catalysis”发表的总结性论文，并成为当时全国被引用次数最多的两篇论文之一。
实现原理应用，提高催化性能
自发单层分散原理的发现，为工业应用奠定了良好的理论基础，并进行了大量的工业应用，其中最典型的便是利用这一原理研制了很多高性能的催化剂。
催化剂常常加添加剂以改善性能。谢有畅发现，当金属氧化物或盐作为添加剂时，常常是单层分散在载体表面，能对载体表面起改性作用，使催化剂性能变好。如甲烷化催化剂原来用Ni/У-Al₂O₃，然而当添加了La₂O₃到Ni/У-Al₂O₃时,La₂O₃便单层分散在У-Al₂O₃表面，使得Ni晶粒显著变小，故甲烷化活性大大提高。
同时，谢有畅发现将活性组分和氢氧化物混合加热，一步直接制得催化剂，其氧化物载体的比表面要比通常先使氢氧化物脱水所得载体的比表面高得多。如将Zr(OH)₄在550℃焙烧得到的ZrO₂比表面为52㎡/g,当用0.26gMoO₃和Zr(OH)₄混合用同样温度加热制得的催化剂，其比表面为224㎡/g,比表面增大了4倍多。
另外，谢有畅团队发现，分子筛的内外表面也可单层分散上氧化物或盐以制得催化剂，既可用浸渍法，也可将活性组分和分子筛混合后加热来实现单层分散。他们发现将B2O₃、MgO、La₂O₃等分别分散到ZSM-5分子筛内表面，可制得由甲苯和甲醇制对二甲苯的择形催化剂。将NaCl分散在NaY分子筛内表面和孔道中可制得甲苯和氯反应制对位二氯甲苯的择形催化剂。
针对负载型金属催化剂，谢有畅还发现，这类催化剂在使用过程中活性会降低，而当通氧气或氯气使金属氧化再生活性时，金属氧化物或氯化物则可变为单层分散，此时金属晶粒会变小，催化活性便会提高。谢有畅还发现，虽然金属在氧化铝硅胶等载体上不能单层分散，但一种金属在另一种金属表面很容易单层分散，如果用一种高比表面的贱金属作载体，负载上少量贵金属，贵金属一定是单层分散，它可能比用普通载体负载贵金属的催化剂有更高活性，且成本更低。
研制高效吸附剂，致力圆梦产业化
自发单层分散原理除了用于催化剂研究，在材料科学有关领域也可应用。早在该原理发现后不久，谢有畅便想到将其用于一氧化碳吸附剂研制。
根据一氧化碳可与一价铜生成络合物这一原理，谢有畅推测，如果将一价铜的化合物单层分散到有大比表面的载体上，就有可能制得对一氧化碳有高吸附量和高选择性的吸附剂。经过大量实验，谢有畅团队用CuCl分散在分子筛内表面，制得了一氧化碳高效吸附剂，其性能居国际领先水平，曾获中国、美国和加拿大专利，采用该吸附剂的吸附分离CO技术于2005年获得国家教育部科学技术奖发明奖一等奖，入选2005年度高等学校十大科技进展，2006年获国家技术发明二等奖。
一氧化碳高效吸附剂的开发成功曾经吸引了外国公司的目光，但与国外公司的合作并不顺利，由于供货条件谈判拖延了近10个月，美方研制出了自己的吸附剂，于是中断了与谢有畅团队的合作，谢有畅科研组为此背上了上百万元债务。
巨额的债务并没有止住谢有畅推动吸附剂产业化的脚步。吸附剂推向国外遇到困难，谢有畅便回到国内，集中力量将一氧化碳吸附剂推向国内碳一化工领域的应用，以设计建造成套一氧化碳分离设备的思路切入国内市场。
1999年底北大资源集团和北京大学科技开发部合作成立北大先锋科技有限公司，给谢有畅团队投资一千万，进行吸附剂及成套分离设备的研制和工业开发。谢有畅团队开始建设吸附剂生产厂，通过不断摸索，他们确定了合理的生产流程和设备选型，发明了高效离子交换工艺，设计出有特色的焙烧炉，实现了大规模生产，吸附剂质量达国际先进水平。
与此同时，他还带领团队研制出高效空气分离制氧吸附剂，开发成功高效变压吸附制氧技术，已在国内外建设了将近300套大中型制氧装置，其中单一用户的制氧设备最大规模已达到87500m³/h，这也是我国正在运行的最大规模变压吸附制氧装置群。据最新数据统计，该项技术在北大先锋公司的推广应用下，2021年订单量已超过13亿元，这一成果在我国乃至世界范围的变压吸附制氧领域也属前所未有，为钢铁、有色、玻璃玻纤等富氧熔炼和助燃提供了经济可靠的氧气来源，创造间接经济效益数百亿元。
中国化学会催化委员会主任、中国科学院院士李灿在谈及谢有畅教授的科研成果时表示极高赞誉：“变压吸附分离CO技术、空分制氧技术是北大化学院科研成果产业化应用最成功的项目之一，也是上世纪八九十年代中国催化界从基础研究走向规模化工业应用不多见的例子之一，这是一个把论文写在大地上的典型例子。很欣慰，中国催化界没有遗忘谢老师的贡献，这个迟到的荣誉也弥补了中国催化界的一个缺憾。”
谢有畅曾于70岁时写下“欣看后生建功业，老骥伏枥效余力”这句感言。他的一生都在为教学、科研和工业发展发光发热，如今已近九十高龄的他仍然精神矍铄，多次应邀参加各种交流活动，激励青年学子潜心学术，勇于创新，为祖国的科技发展积极贡献力量。
