微观的催化世界：电子扫描的向心配合体的电子照片

无论是均相催化剂还是多相催化技术都能加速反应过程，催化剂技术能够使化工企业的梦想成真。例如，把二氧化碳变成化工原材料之梦。

哈伯-博施合成技术是利用氮气和氢气催化合成氨气（NH3）的技术，估计99.9%的化学家都能详细地背诵这一大规模流程工艺技术的每一个细节。时代在不断向前发展，1913年，哈伯-博施合成氨的问世举世轰动，目前它仍然是本科生的经典教材。也许是偶然的忘记、也许是历史的玩笑，几十年之后哈德.埃特尔教授因为表面催化技术才获得了诺贝尔奖，该技术摘掉了“黑色技术”的帽子，恢复其精确的科学技术名誉。

尽管“平反”姗姗来迟，但没有多相催化合成氨的基础就不可能有今天的化学工艺，在大批量的散装化学品生产过程中，共计大约25000套流程工艺设备中都在使用反应加速器。尽管市场上化工催化剂的价格一直比较低廉，但据巴斯夫公司的统计，2010年全球反应加速剂的销售额几乎达到了40亿欧元。这说明那些传统的化学催化剂生产厂从中获利不少，例如巴斯夫、赢创德固赛、南方化学和庄信万丰这样的著名大公司以及大量亚洲企业。

催化工艺技术需要首先进行研发，然后实施的是一项跨学科的工艺技术。完成整个工作需要流程工艺师、化学技术人员、材料技术人员、安全技术人员的密切配合与合作。但是，只有当新开发的催化反应技术方案能够开辟一个全新的技术领域，或者选择性有了明显的提高、催化反应时间明显缩短时，催化反应技术才能在工业化生产过程中得到应用。尤其是在异质催化中，缩短催化反应时间对新技术的应用起了很好的推动作用。催化剂的使用寿命至少为两年，也就是16000工作小时。由于催化剂能够保持很长的使用时间，因此当规模化生产每延长24?h带来的受益非常可观。如果真正理解了催化剂的失活过程，那么就可根据电气技术的催化剂加速失活试验得到可靠的催化剂寿命数据。化学品和聚合物工艺过程专家Leslaw Mleczko教授强调说道：“拜耳技术服务公司所使用的方法非常可靠，能够非常准确地提供多相催化反应的数据。”

对催化技术提出的另一个要求是催化动力学，因为几乎所有的反应都是热动力学的反应。MPG的Fritz-Haber研究所负责人Robert Schlögl博士估计：“如果能够在化学工业领域中应用最佳的催化技术就可以节约50%的能源。”

“为了能够开发出新的催化技术，我们尝试着理解催化机理。我们在数学模型的基础上对高通量筛选技术进行了研究，使用了所有的分析方法和数学方法，经过几年来坚持不懈的努力开发出了合理的催化剂。”
—— Leslaw Mleczko，拜耳技术服务公司化学品和聚合物工艺过程专家

照亮“黑盒子”

目前的基础理论研究已经比哈伯-博施的时代前进了一大步，但催化技术依然是一个黑盒子——催化过程中到底发生了些什么，即使是有经验的流程工艺师们也只是像炼金术师傅那样进行猜测。因此，新的催化工艺方案的开发显得非常重要。基于此，拜耳技术服务公司的催化技术专家们多年来一直沿着理想的研发途径从事高通量筛选技术。“我们尝试着理解催化的原理，并试图利用数学模型和模拟技术来缩短研发过程。从一开始就把催化剂和反应器的研发纳入了整个研发过程之中。”

Mleczko博士领导的开发团队，能够获得所有用户要求的信息，但不能对当前的工作任务提出抱怨。优化是一个很大的工程，他指出：“目前占主导地位的是研发工作，不仅是我们自己的研发，而且也包括企业外部用户们进行的研发。”

日前，拜耳技术服务公司为美国的LP Amina公司进行着一项研发工作。研发工作的详细细节没有对外公布，但是从LP Amina公司所公布的信息中可以知道，这一项研究是从煤炭中获取单体和能源。新的研发项目成为市场的重要推动力，技术发展趋势包括不影响气候变化、提高能源效率和资源利用率、降低二氧化碳排放、可持续发展以及找到煤炭、天然气或者生物质等石油的替代原材料。所有项目，包括2010年3月由德国德西玛化学工程与生物技术协会和德国工程师协会合办的网站Processnet的德国催化技术协会公布的催化技术研发路线图等都大大地推动了催化技术的向前发展。

“未来型”催化剂

这里所介绍的“未来型”催化技术即将成为现实，利用温室效应气体二氧化碳转化为一氧化碳的工业化。虽然它已初具成果，但仍然存在很多的困难。二氧化碳是一种很难活化的气体，即使找到合适的催化剂，催化反应需要的时间太长的问题仍然没有得到很好的解决。拜耳技术服务公司面临着两大技术难题，从去年开始就在勒沃库森化学工业园中就建造了一套利用聚烯烃生产二氧化碳的生产样机。项目由亚琛市著名的鲁尔工业大学RWTH等高等院校和拜耳公司的CAT催化技术中心合作完成。在找到合适的催化剂之前，他们对200多种催化剂进行了试验。目前，他们还在进行工艺流程优化，因为二氧化碳含量和产品性能还远远达不到期望值。

另外，CO2rrect仍然是一个难以攻破的项目。这一项目的研发人员想利用电解来激活温室气体，生产出可作为替代能源的氢。

催化剂技术带来的效益

巴斯夫公司利用高压对二氧化碳均匀加氢催化，开发可以工业化生产甲酸的工艺技术。路德维希斯港的巴斯夫公司利用这一技术每年可以制得230000t甲酸，把生产过程中排放出来的废气变成了有用的化工原材料，因此这一项很有潜力的开发项目。Thomas Schaub博士和Rocco A. Paciello博士领导的团队开发出了一种多相液-液催化的工艺方法，并取得了一定成果，该工艺回收了钌均相催化剂，又分馏出了甲酸，所有的反应循环设备都是这一新方案的一个组成部分。

巴斯夫公司开发的工艺方案解决了传统均相催化技术中的一个难题，从反应混合物中回收有用的原材料，这对于含金属成分的催化剂具有非常重要的意义。同时，这一催化技术的开发能够促进新资源的开发，解决气候变暖、提高能源利用率等。

来自石油化工的动力

多相催化技术一直是推动巴斯夫公司发展的重要动力，主要聚焦于特殊化工领域，目前，均相催化技术研发的比例也提高了很多。

PROCESS：Seitz博士先生，化学工业领域几乎离不开催化技术。您目前在催化技术领域中的工作重点是什么？

Friedrich Seitz：巴斯夫公司催化技术的研究侧重于环境保护、化工分析、裂解分析等。从技术角度来讲我们开发均相催化技术和多相催化技术，但多相催化技术占绝大多数。但许多反应，例如氢甲酰化，或者对映选择催化反应等恰恰是均相催化。在要就均相催化剂时，需要一些特殊的研发方法。在反应中，选择合适的催化剂不一定是一件容易的事情。我们可以把多年来在石油化工技术领域中积累的宝贵经验应用到精细化工技术领域中。

巴斯夫公司负责化学品研究与工程技术的负责人Friedrich Seitz博士

PROCESS：您能够以数字说明催化技术给贵公司带来的效益吗？

Friedrich Seitz：所有工艺流程中大约80%的流程工艺方案都使用了催化技术，其中10%左右是均相催化技术。若不采用催化技术，则无法生产出合格的产品，或者要走很大的弯路才能实现。

PROCESS：很多行业外的认为高等院校研究出了很多催化技术解决方案，但几乎都没有在工业生产实际中得到应用。原因是什么？

Friedrich Seitz：这种理解是错误的，事实并非如此，其实高校开发不出任何解决方案。高等院校研究重点是基础理论的研究，例如新的催化剂的合成技术，催化剂在新的反应过程中的应用。高校也研究催化反应的机理，并希望更加详细、准确地理解催化反应的机制。工业企业才会真正使用这些新的催化反应技术，但首先还是要在理论研究的基础上进行优化后才投入工业化生产应用。但是使用这些反应方法的前提必须是新的反应方法能够带来一定的经济效益。这一前提是很多高校不会考虑的，就像工业企业只能在有限的范围内进行一些基础理论的研究。

PROCESS：从2006年开始您就负责企业与海德堡大学合作的均相催化技术研发。是否已经有研发成果应用到了巴斯夫公司的实际生产中？

Friedrich Seitz：我们的催化剂研究实验室（CaRLa）合作旨在促进高校研究成果向工业化应用转化。我们的任务主要包括两个，首先，从高校研究的角度出发是了解催化技术发展在最新动向，把高校研究的理论成果转化为工业化的实际应用；其次也是通过合作能够促进催化技术的研究。例如，由德国联邦教育研究部（BMBF）、科学、研究及科技部重点资助的ACER项目，我们成功研发了利用乙烯把二氧化碳转化成丙烯酸脂的催化剂。30多年来，这一研发项目一直没有开花结果，但最终被我们利用自己合成的均相催化剂攻克了。从某种意义上讲，CaRLa合作不断地把有用的知识和技术传递给了巴斯夫公司。