江焕峰:践行绿色低碳发展理念 做生态文明建设的参与者、贡献者和引领者

2021-01-15 12:07 作者:张强 刘冬梅 来源:《中华英才》半月刊
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江焕峰教授在做实验

作为我国绿色化学化工领域的早期践行者之一,江焕峰从事包括绿色有机化学、合成方法学、二氧化碳资源化利用等领域的研究工作已近30年了。多年来他一直致力于将绿色化学理念融入化学化工基础研究与应用开发之中,不断寻找资源高效利用与精准转化的突破口,发展新的方法和新的途径,带领科研团队取得了丰硕的成果。他先后主持国家杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划项目、国家基金委重点项目和重点国际合作项目、国家基金委重大项目课题、国家重点基础研究发展计划(973项目)课题、教育部长江学者创新团队项目和广东省重点领域研发计划项目等重要课题。

2016年,江焕峰精心组织全国重点科研院所的相关科研团队承担了国家“十三五”重点研发计划项目——“面向化工与医药领域的低碳与绿色途径”。项目独辟蹊径,以点带面,以化工和制药行业为模型开展碳排放峰值目标的优化路径研究。他们团结合作、攻坚克难,通过发展绿色低碳技术,从源头上实现节能减排,通过实验事实为中国2030年碳峰值目标优化路径以及2050年国家应对全球变化与低碳发展的战略目标提供科学与技术支持。


地球是人类的共同家园,这个家园亟待人与自然和谐发展。然而,放眼全球,环境遭受污染,资源趋于枯竭,生态系统退化。自世界工业化革命以来,大量化石资源的使用和消耗、温室气体及污染物的排放,加剧了全球环境和气候的显著变化,威胁到人类社会的生存和发展,成为世界各国必须共同应对的全球性挑战。

2015年11月30日,国家主席习近平出席气候变化巴黎大会开幕式并发表重要讲话,铿锵有力的指出,面向未来,中国将把生态文明建设作为“十三五”规划重要内容,落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,通过科技创新和体制机制创新,实施优化产业结构、构建低碳能源体系、发展绿色建筑和低碳交通、建立全国碳排放交易市场等一系列政策措施,形成人和自然和谐发展现代化建设新格局。

此次会议上,我国正式承诺到2030年实现碳排放峰值目标。如何实现此目标,不仅是我国政府面临的重大决策问题,也是国际社会关注的热点话题。对此,科学分析我国实现2030年碳排放峰值目标的关键影响因素,提出实现该目标的优化路径,迫在眉睫。这不仅对于我国应对全球气候变化,实现可持续发展具有重要意义,而且对于国际社会推动自主减排也具有重要示范作用。

江焕峰认为,其根本途径之一在于减少工业性的碳排放,保障经济发展的低碳途径,逐步实现生态型碳循环和可持续发展。“化工和医药行业属于关系国计民生的关键制造业,占我国GDP的15.5%,其产品产量年均增长在10%以上。但是,该行业也是化石资源高消耗、二氧化碳及其他废弃物高排放产业,在使用和消耗化石资源方面在全国制造业中位居第二,占比 23%。因此,开展以化工与医药行业为模型的碳排放峰值目标的优化路径研究,发展绿色低碳技术,从源头上实现节能减排的工作无疑十分重要。”

作为我国绿色化学化工领域的早期践行者之一,江焕峰扎根绿色化学的沃土,长期从事有机合成化学和精细有机化工的应用基础研究与开发工作。在20世纪90年代中期,为改变传统化学与技术的不足及其不利影响,他将绿色化学理念与合成化学结合起来,带领团队致力于寻找学科方向的新突破口,收获了大量的创新成果。面对新的挑战,他精心组织重点全国科研院所的科研力量,朝着我国全球变化及应对领域研究的新征程迈进。

勇挑重担  开启我国全球变化及应对领域研究新征程 

妥善应对全球变化,离不开科学研究的支撑。

按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《国家应对气候变化规划(2014-2020年)》部署,根据国务院《关于深化中央财政科技计划(专项、基金等)管理改革的方案》,科技部、教育部、中国科学院、中国气象局、国家海洋局、环保部等部门及单位组织专家编制了“全球变化及应对”重点专项实施方案,于2016年3月启动了“全球变化及应对”重点专项。江焕峰针对“全球变化及应对”重点专项中低碳技术与节能减排的相关要求,精心组织了来自华南理工大学、中国科学院化学研究所、中国科学院长春应用化学研究所、中山大学、南开大学等重点科研院所的优势科研力量,提出了“面向化工与医药领域的低碳与绿色途径”的解决方案。项目另辟蹊径,以关系国计民生的关键制造业但化石资源消耗高、二氧化碳及其他废弃物排放高的化工与制药行业作为研究模型,通过以点带面的方式开展碳排放峰值目标的优化路径研究。他们从原材料、反应过程、绿色高附加值产品、废弃物循环利用等不同角度入手开展全链条系统性研究,为节能减排和低碳发展提供新技术途径,逐步形成低碳化学新理论,为我国应对全球变化的低碳技术和节能减排提供多途径选择的解决方案,同时,更加丰富我国碳排放和减碳的社会经济代价研究的基础数据,为国家应对气候变化外交谈判和国家制定包括碳贸易和碳税实施的减排效果在内的相关领域发展提供政策依据。


国家重点研发计划全球变化及应对重点专项“面向化工与医药领域的低碳与绿色途径”项目启动会合影

江焕峰还清楚的记得,2016年12月3日,“十三五”国家重点研发计划“全球变化及应对”重点专项“面向化工与医药领域的低碳与绿色途径”项目启动会在华南理工大学召开时的场景。华南理工大学时任副校长、现任校党委书记章熙春出席会议,中国科学院院士韩布兴,科技部高技术研究发展中心基础三处、广东省科技厅社会发展与农村科技处、学校科技处以及化学与化工学院相关负责人、项目组成员等50余人参加了会议。项目汇报之后,与会专家认为,“该项目研究工作思路清晰、创新性强、研究方法和技术路线可行、具有较好的可操作性。”他们还对项目组提出期许:“在研究过程中应紧记国家重大需求,不仅在技术上,更应在宏观尺度上为中国2030年碳峰值目标优化路径提供科学支撑,为提出2050年国家应对全球变化与低碳发展的战略目标奠定基础。” 

该项目属于基础前沿型项目。江焕峰说,对于项目他们进行了充分的前期调研,对国内外研究现状及存在的问题进行了全面的分析,考察了参与单位的人员和科研优势,评估了其实验设备和检测手段状况。在此基础上精心组织,合理设计,明确分工,提出了恰当的研究对象和项目目标。

项目研究内容包括:建立符合低碳化重构方式的化石原料高效转化体系,实现碳资源全成分高效利用(即原子经济性利用),促进现有化工和制药技术的革新;绘制基于大宗生物质资源且具有中国特色的生物精炼技术路线图,建立基于生物质资源的多样化转化途径,促进碳中性物质的高值化利用;探究化工和制药过程中 CO2及其它碳资源废弃物产生途径,通过低碳技术研究减少工业性的碳排放,加快 CO2及废弃物转化利用研究。

项目拟解决的重大科学问题包括:工业化学领域低碳化重构方式和碳资源全成分利用的关键在于合理的路线设计及先进催化理论指导下的精准高效转化体系的建立;符合碳资源工业性的零排放或低排放的催化剂—反应物—介质于一体的耦合理论与实践。

项目成果和效益包括:逐步形成低碳化学新理论,为化工和制药领域的低碳技术发展提供理论指导,为中国2030年碳峰值目标优化路径提供技术支撑,为2050年应对全球变化与低碳发展的战略目标奠定基础;建立具有示范效应的、绿色高效和应用前景明确的新转化过程及平台技术,为节能减排和低碳发展提供技术途径,为碳排放和减碳的社会经济代价研究提供部分基础数据。

 联合攻关  形成多部门各有侧重有机合作的新机制

江焕峰说,华南理工大学、中科院化学研究所、中科院长春应用化学研究所、中山大学、南开大学,这5家全国优秀大学、重点科研院所,强强联合,形成了各有侧重、有机合作的新机制,为项目的实施提供了强有力的技术支撑。

另一方面,项目的软实力也不容小觑。项目形成了包括项目负责人、课题负责人、项目骨干以及其他研究人员在内人员结构合理、管理层次分明的研究团队,同时,借鉴类似项目的先进经验制订相关的管理制度,在组织上和制度上有力地保障了项目有计划、有步骤的实施。

2018年8月9日,项目组成员合影

江焕峰说:“在项目申报阶段我们就进行了顶层设计,优选了参与单位和研究人员,以化工和医药为研究模型针对化石资源、生物质资源、二氧化碳及其它碳资源废弃物转化过程中的共性和核心科学问题开展研究。”据他介绍,项目负责人及其组建的科研团队成员均在国内外具有较大影响力。研究队伍拥有国家杰出青年基金和优秀青年基金获得者、国家引进海外高层次人才、中国科学院百人计划入选者等科研人员 25 名,其中博导和教授(研究员)17 人,副教授(副研究员)6 人,中级职称2人,涵盖了绿色化学与化工、二氧化碳化学、植物资源化学与化工等学科领域,具有较好的学科交叉优势。项目参与单位还拥有博士后研究人员以及博士研究生和硕士研究生,是项目实施的生力军和主力军。项目组人员配备完善,结构合理,依据课题特点,既分工明确,又能协同攻关。5个参与项目单位各有特色,各有所长,有着长期、良好而有效的合作关系,人员互访和学术交流频繁,合作发表论文多篇,合作成效显著。

例如,课题4:“二氧化碳及其他碳资源废弃物的减排与转化”,牵头单位华南理工大学、参与单位中山大学和南开大学均是直属教育部的 985 全国重点大学。负责人江焕峰,华南理工大学教授、博士生导师,国家杰出青年基金和国务院政府特殊津贴获得者,教育部长江学者创新团队负责人,广东省化学一级重点学科带头人,广东省功能分子工程重点实验室和广东省高校工业废弃物资源化利用技术研究开发中心主任。长期从事有机合成化学和精细有机化工的应用基础研究与开发工作,主要研究领域包括绿色化学导向的有机合成方法学、新型高效催化剂的设计合成与应用、新型高分子助剂合成及构效关系研究等。在国内较早开展绿色有机合成化学研究取得了创新性研究成果。

课题1:“符合低碳与绿色途径的新催化体系”牵头单位中国科学院长春应用化学研究所是中科院建所最早的研究所之一,科研论文及发明专利的数量连续多年排在科研单位的前茅。负责人赵凤玉,中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师、绿色合成与催化课题组组长,吉林省绿色化学与过程实验室主任,中科院百人计划入选者。主要从事绿色合成与催化反应领域的研究工作,在多相催化反应、新型催化体系等方面取得了一批创新性的研究成果。

课题2:“高原子经济和步骤经济性转化新方法”牵头单位中科院化学研究所是具有国际影响力的、我国最重要的化学研究机构之一。负责人刘利,中国科学院化学研究所研究员、博士生导师。主要从事有机合成方法学和绿色介质中的有机反应研究,特别在原子经济性反应和可循环的水相胶束催化新体系方面取得了突出的成绩。

课题3:“运用生物质结构特征的化学合成与应用”牵头单位中山大学是直属教育部的 985 全国重点大学。负责人邹永,中山大学教授、博士生导师。主要从事可再生资源的多样化转化及高值化利用、药物及天然产物绿色合成工艺及方法学研究。承担国家及省部级科技计划项目 20 项,在八角组份茴香脑及莽草酸多样化转化和高值化利用等方面,在治疗痴呆症新药盐酸美金刚、系列二苯乙烯类天然产物及衍生物、新型血管阻断剂类抗癌药物等药物的研究开发方面做出了创造性贡献。

开拓创新  探索多学科交叉进行的低碳与绿色新途径

江焕峰介绍,项目以绿色化学与化工、催化科学、合成科学、材料科学以及多尺度计算方法等多学科交叉为抓手,以转化过程中的共性和核心科学问题为研究切入点,发展具有高原子经济性和步骤经济性的新方法、新技术,发展实用的精准高效催化体系和完美的催化剂—反应物—介质耦合体系。

项目在技术方案上分三个层次进行:首先,结合精准高效催化体系探索和研究新型反应过程,发展具有高原子和步骤经济性的新反应、新方法;其次,结合不同碳资源特性开展研究,实现低碳化重构、发掘新型平台分子;第三,获得功能分子及其集催化剂—反应物—介质于一体的低碳技术,实现绿色低碳化学过程工业化应用。

2018年8月7日,项目组成员开会讨论工作

课题1:“符合低碳与绿色途径的新催化体系”揭示催化剂—底物—介质三者之间的作用规律,阐明影响催化活性的关键过程及其机制;针对化石资源、生物质资源、二氧化碳等的高效转化开发新的绿色催化体系;建立基于氧化途径的尼龙66关键中间体低碳合成技术集成,提出合理、技术上可行的碳峰值目标优化路径方案。

课题2:“高原子经济性和步骤经济性转化新方法研究”发展基于环境友好介质的原子经济性和步骤经济性新反应,总结化学键断裂和组合的规律及其反应机制;拓展新方法在化石资源、生物质资源、二氧化碳等的高效转化中的应用。

课题3:“运用生物质结构特征的化学合成与应用”针对生物质结构特征筛选合适的催化剂体系,发展具有原子经济性和步骤经济性的、导向目标产物的植物生物质利用新途径,阐明影响转化的关键过程及其机制;建立源于玉米秸秆的糠醛类平台分子生物炼制技术路线图,提出合理、技术上可行的碳峰值目标优化路径方案。

课题 4:“二氧化碳及其它碳资源废弃物的减排与转化”针对二氧化碳的惰性寻找高活性催化剂,研究并阐明催化过程中如何提高催化剂活性和激活二氧化碳的关键因素;开发适合于二氧化碳高效转化的绿色催化体系;计算模拟化学反应废弃物产生途径及其治理策略;建立二氧化碳转化合成尼龙 66 关键中间体工艺路线,提出合理、技术上可行的碳峰值目标优化路径方案。

4个课题属于一个有机的整体,研究点各有侧重,又互相关联和渗透,具体关系见下图。

总体研究框架与思路

江焕峰向我们介绍,项目以典型案例的方式整合4个课题的成果,开展汇聚性研究,形成3个在化工和医药行业中具有重要意义的新技术集成:(1)基于氧化途径的尼龙 66 关键中间体低碳合成技术集成及其减排效果评估;(2)二氧化碳转化合成尼龙 66 关键中间体工艺路线及其减排效果研究;(3)源于玉米秸秆的糠醛类平台分子生物炼制技术路线图。

尼龙66关键中间体己二酸低碳合成技术集成

尼龙 66,工业简称 PA66,具有疲劳强度和钢性较高,耐热性较好,摩擦系数低,耐磨性好等优点而广泛用于汽车、机械工业、电子电器、精密仪器等领域,其中汽车行业消耗的尼龙 66 占第一位,电子电器占第二位。尼龙 66 的关键中间体为己二酸,目前生产方法主要有苯酚法、环己烷法和丙烯腈二聚法,前两种方法使用了 60%到 65%浓度的硝酸,第三种方法使用大量的稀硫酸,排放废液和污染严重。

基于氧化途径的尼龙 66 关键中间体低碳合成技术集成:以来源于化石资源的环己烷为基本原料,以空气为氧化剂,采用他们开发的新催化剂一步法氧化制备己二酸。省去了传统两步法中硝酸氧化部分和消除氮氧化物的排放。用空气取代了硝酸,从源头上杜绝了氮氧化物的产生,减排效果突出。

二氧化碳转化合成尼龙 66 关键中间体工艺路线:以二氧化碳和石油炼制裂解制乙烯的废料丁二烯为原料,用电解还原法生成己烯二酸,常压加氢制备己二酸。这一技术的特点在于二氧化碳和裂解废弃物的利用,而且反应的原子经济性为100%,具有非常明显的低碳技术和节能减排特征。

源于玉米秸秆的糠醛类平台分子生物炼制技术路线图:我国有秸秆 8 亿吨, 占生物质资源量近一半,深加工后获得糠醛、羟甲基糠醛等平台分子。本项目以羟甲基糠醛为原料,通过开环还原/氧化等过程制备已二酸。由于生物质属于碳中性资源,减少了化石资源的消费,其低碳技术特征明显,生态效益显著。

江焕峰介绍的上述 3 个典型案例,或削减了大量浓硝酸的使用,或消除了二氧化碳和废弃碳资源的排放,或实现了生物质资源的利用,其低碳技术与节能减排效果不仅对己二酸行业,乃至于化工行业具有革命性的影响,而且具有良好的社会经济生态发展效益。

2018年11月,科技部高技术中心相继公示了一批2016年国家重点研发计划重点专项通过择优评估继续支持项目清单,“全球变化及应对”等5个高技术领域的54个项目获得通过评估,江焕峰他们的“面向化工与医药领域的低碳与绿色途径”项目获得继续支持。

加大生态文明建设力度,加快绿色发展步伐,全力以赴建设人与自然和谐共生的现代化。这是艰巨的挑战,也是巨大的机遇。江焕峰和项目团队的成员们作为生态文明建设的参与者、贡献者和引领者以创新精神面向全球变化研究发展前沿进行顶层设计,通过加强平台建设与技术研发,取得了科学理论和核心技术的原创性突破,在攀登中国化学工业发展新高峰和开启我国“全球变化及应对”领域研究新征程上,他们信心十足、步履稳健。

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指导学生工作

【 人物简介 】

江焕峰,华南理工大学教授、博士生导师、国家杰出青年科学基金和国务院政府特殊津贴获得者、教育部创新团队负责人,广东省功能分子工程重点实验室主任,中国化学会理事、广东省化学学会副理事长。

长期从事合成方法学、绿色化学、二氧化碳资源化利用以及高性能催化剂设计与应用研究。在Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、《美国化学会志》、《德国应用化学》、《化学科学》等国内外化学领域主流刊物发表论文500余篇。研究论文已被SCI刊物他引超万次,SCI H因子69,获得授权中国专利15项,编写专著(译著)3部(含英文专著1部),技术实现产业化3个,获得广东省科技一等奖和教育部高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学一等奖各1项。曾多次列入RSC、Elsevier中国高被引学者,Angew. Chem. Int. Ed.登载了人物简介。中国化学会-巴斯夫首届“青年知识创新奖”获得者;广东省高等学校“千百十人才工程”省级和国家级培养对象;国家杰出青年科学基金获得者;华南理工大学三育人先进个人;改革开放30年华南理工大学百名杰出教工;广东省南粤优秀教师,广东省科学技术一等奖;第11届广东省丁颖科技奖获得者;国务院政府特殊津贴获得者;广东省南粤百杰等。