物理化学家谢有畅：教学、科研与工业应用“三剑合并”

　　谢有畅，物理化学家，长期从事物理化学、结构化学和固体表面化学的教学与研究工作。1934年出生于广州，1953年毕业于中山大学化学系，后被选入北京大学攻读物理化学专业研究生，师从徐光宪院士。1957年毕业后留校任教，担任唐有祺院士助教，长期在唐有祺老师指导下从事研究工作。1984-1985年在美国加州大学化学系和罗伦兹伯克利国家实验室担任客座教授。1985年被北京大学授予教授学衔并被教育部特别批准为博士生导师。

　　谢有畅教学及科研成果颇丰，与唐有祺院士一起发现了自发单层分散原理，于1987年获国家教委科技进步一等奖；设计并研制了一氧化碳高效吸附剂，于2005年获教育部发明奖一等奖，于2006年获国家发明二等奖；设计并研制了我国首个大型变压吸附空分制氧装置，于2006年获教育部科学技术进步奖一等奖。另外，与邵美成合作编著出版了基础课教材《结构化学》，参与译校出版3部固体表面化学专著，发表论文270多篇，申报专利20项。培养博士后、博士和硕士研究生60余人；曾任大连化物所催化基础国家重点实验室学委会副主任、石油学会理事，《化学通报》《催化学报》《分子催化》等杂志编委、高校化学教材编审委员会委员等职务。

　　几十年的工作中，谢有畅总是能平衡好科研、教学和工业应用研究的关系，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，这也促成了他诸多的发现和成就。

　　自发单层分散现象的发现

　　谢有畅从23岁研究生毕业开始参与教学工作，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”。

　　后来谢有畅参加了“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，与传统的聚乙烯催化剂TiCl3相比，活性组份TiCl3用量少百倍以上，活性却相差不大，这不仅可以大量减少过渡金属的用量，还可避免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，随后他们进行了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效果，却并不存在TiCl3晶相。

　　随后他们又研究了氧氯化催化剂CuCl2/-Al2O3,是由CuCl2溶液浸渍载体-Al2O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也是以单分子层形式分散在-Al2O3表面。另外，将约10%CuCl2粉末和-Al2O3粉末干混后，在低于CuCl2熔点（498oC）的温度（350oC）下焙烧，CuCl2晶相完全消失变为单层分散，这说明成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》期刊发表了论文《某些催化剂活性组份在载体表面分散的自发倾向》，并获得诺贝尔奖获得者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100多篇，其中包括1990年应邀在Advances in Catalysis发表的总结性论文Spontaneous Monolayer Dispersion of Oxides and Salts onto Surfaces of Supports: Applications to Heterogeneous Catalysis，这是当时全国被引用次数最多的两篇论文之一。

　　自发单层分散原理在催化研究中的应用

　　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。

　　催化剂常常需要加入添加剂以改善性能，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/-Al2O3，而添加La2O3到Ni/-Al2O3时，La2O3便单层分散在-Al2O3表面，使得Ni晶粒显著变小，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，可以直接制得催化剂，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很多。如将Zr(OH)4在550oC焙烧得ZrO2比表面为52m2/g,当用0.26g MoO3和Zr(OH)4混合用同样温度加热制得的催化剂，比表面为224m2/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制得催化剂，既可用浸渍法，也可将活性组分和分子筛混合热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。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，负载少量贵金属，贵金属一定是单层分散，可能比用普通载体负载贵金属的催化剂活性高，且成本更低。

　　高效吸附剂的研制及产业化

　　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的原理，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，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，于2005年被评为国家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年获国家发明二等奖。

　　此项技术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。吸附剂推向国外遇到困难，谢有畅回到国内，集中力量将一氧化碳吸附剂推向工业应用，并开展了空气分离制氧吸附剂研制，取得突破。1999年底，北大资源集团决定给谢有畅团队投资1000万成立北大先锋科技有限公司，进行吸附剂研制和工业开发。谢有畅团队开始建立吸附剂生产厂，通过不断摸索，他们确定了合理的生产流程和设备选型，发明了多级串联离子交换工艺，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。

　　随后他们又与专业团队合作设计了大型变压吸附分离一氧化碳和空气分离制氧装置，并建造了30多套大型变压吸附分离一氧化碳装置，使我国年产值上千亿元的羰基合成工业得以顺利发展。通过不断改进，分离装置质量不比进口的差，价格却便宜得多，外国公司被挤出了中国市场。到目前为止，谢有畅团队在国内建造了60多套大型变压吸附空气分离制氧装置，为我国钢铁、有色金属、化工、玻璃、窑炉、造纸、水处理等工业提供了大量廉价氧。

　　谢有畅在70 岁时曾写过一首诗:“古稀如今已不奇，国运昌隆更可喜，欣看后生建功业，老骥伏枥效余力。”他的一生都在为教学、科研和工业发展发光发热，古稀之年依然热情高涨，或许这份热情正是其一生成就颇丰的秘诀。

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