勇立涛头担大任

——张涛

院士小传

张涛(1963.7.8—),男,陕西安康人。物理化学家。2013年当选为中国科学院院士。

1983年考取中国科学院大连化学物理研究所研究生。曾赴英国伯明翰大学做访问学者。历任大连化物所副研究员、研究员、博士生导师,大连化物所副所长、党委书记、所长。第十二届全国人大代表。2016年12月起任中国科学院副院长、党组成员。

长期从事化学化工领域的研究,负责研制的肼水混合物分解催化剂应用于某重点飞机并批量装备部队;主持研制的新型长寿命肼分解催化剂,多次应用于系列卫星及“神舟”飞船的姿态控制;负责研制的拟人耗氧反应器组件应用于“神舟”飞船,为我国载人航天做出贡献;负责研制的过氧化氢分解催化剂应用于某工程,解决了其高效能、小型化问题;作为负责人之一研制的聚烯烃用脱氧剂应用于全国石化等行业近百家企业。

获国家技术发明奖二等奖(三次)、中国催化青年奖、周光召基金会应用科学奖和中国科学院杰出科技成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、首届中国科学材料创新奖、ChinaNANO Award等奖励。

曾获全国五一劳动奖章、国家人事部和国防科工委“全国国防科技先进工作者”称号、中国科学院“参加载人航天工程突出贡献者”称号、“首批新世纪百千万人才工程”国家级人选。获国家杰出青年科学基金支持。被选为英国皇家化学学会会士、发展中国家科学院院士、加拿大工程院院士。

发表论文450余篇,获发明专利授权100余项(国际发明专利授权20余项),培养研究生100余人。

图片来源于百度百科

他从陕南的山区走来,带着儿时“要当科学家”的追求与梦想。他坚信,只要胸怀理想并为之不懈奋斗,就一定能成才!他叫张涛,和千千万万的普通学子一样,为了实现人生的目标不断拼搏,最终硬是凭着坚韧的毅力和刻苦的努力,如愿考上了中国科学院大连化学物理研究所,进入了理想的科研殿堂,成为一名真正的科学家。

随后的30多年,张涛一直活跃在化学化工研究领域,是我国工业催化领域一位杰出的学术带头人。

助力航空航天新跨越

“神舟”系列飞船一次次的成功发射,标志着中国航天事业不断迈出重要步伐。这其中,大连化物所及张涛和他所带领的科研团队功不可没。

为了保证航天员在空中更健康地生活和工作,目前很多国家制订了生命科学飞行实验计划,研究失重、超重和其他空间环境对生物生长、发育、代谢、遗传等方面的影响及其防护措施,能揭示在地面条件下发现不了的生物问题。猴子的生理学和解剖学特性,除了心血管数据外,都可推断到人身上。因此,用猴子等动物做实验,是科研人员绕不过的研究环节。

为了赶超美、俄等航天大国的步伐,中国航天人和科学家剑走偏锋,直接跨过了“猴子阶段”,从无人发展到载人飞行。大连化物所张涛团队承担了这一任务。他们用化学手段在无人飞船上模拟一个“人”,能呼吸和产热体温等。“这其实也是一个化学的问题,”张涛说,“需要寻找一种能缓慢稳定反应的化学新材料,让化学反应跟人的呼吸一样,吸收氧气,放出二氧化碳,并释放出热量温度。”为了解决这一难题,张涛和他的团队经过几年的辛勤研究,最终完成了飞船生命保障系统中的拟人耗氧材料及组件的研制,成功地在“神舟”飞船上模拟了人体代谢的耗氧指标和产热指标,工作安全可靠,满足了工程下达的各项任务要求,为我国载人航天技术的突破做出了重要贡献。

这项技术,在国内外载人航天领域属于首次应用,被我国时任载人航天工程总设计师王永志院士誉为我国载人航天的“三大跨越”之一,受到了中国载人航天工程办公室的表彰。

肼催化剂一直是张涛的研究重点。这种催化剂主要应用于航天飞行器的单组元姿态控制发动机上,用于改变其飞行轨道或调整飞行姿态。我国自行研制的某款先进飞机为确保飞行安全,必须配有应急动力系统,该装置内的催化剂性能对肼水燃料能否完全分解、将化学能转化为动能乃至飞机安全至关重要。肼水化合物在我国是全新的推进剂体系,由于难度太大,至1997年,原承担单位攻关5年仍无进展。

困难越大,越说明研究的成果有价值。张涛带领他的研究团队主动请缨。他们迎难而上,刻苦钻研,日夜奋战,研制出了满足飞机首飞零下20摄氏度要求的初样催化剂,解决了飞机首飞的燃眉之急。接下来的几年中,他们在适合低温零下40摄氏度下肼水混合物分解的高铱含量催化剂高分散制备方法、模拟航空应用条件的催化剂热试方法等方面均取得重大突破。2003年完成催化剂工程放大和设计定型,2005年建成生产线,目前已成功应用于这款先进飞机并批量装备部队。

以推进剂专家李俊贤院士和飞机总设计师宋文骢院士为主任的鉴定组认为,该技术“属国内首创,达到国际先进水平,打破了国外对我国的技术封锁”。该技术2005年获军队科技进步奖一等奖,2006年获国家技术发明奖二等奖。大连化物所也因此被作为重要贡献单位之一荣获国家科技进步奖特等奖。

此外,张涛团队还针对我国长寿命卫星和飞行器的要求研制成功新一代肼分解催化剂,广泛应用于“神舟”系列飞船及“资源1号、2号、3号”卫星、“风云2号”气象卫星、海洋卫星、“实践7号”科学卫星、“遥感1号、2号”卫星。因其在航空航天领域中的应用所做出的突出成就,2008年10月,中国化学会催化委员会授予张涛中国催化青年奖。

开辟催化科学新天地

在国内催化领域一路高歌的张涛,又因率先提出“单原子催化”理论,在国际科学界引起轰动。

多相催化作为现代化学工业中的关键技术,在社会进步与经济发展中起着非常重要的作用。由于单原子催化剂具有均相催化剂的“独立活性位点”和多相催化剂稳定易分离的特点,因而被认为有望成为连接均相与多相催化的“桥梁”,但一直未得到实验证实。高度分散的单原子表面能高,热力学不稳定,因此构建稳定的单原子催化剂是催化领域长期追求的最具挑战的目标之一。

张涛团队长期从事高温稳定的高分散催化剂制备,不仅具有催化剂制备方面的技术优势,也有进一步提高催化剂分散度的需求。2011年,他与清华大学李隽教授以及美国刘景月教授合作,在研究氧化铁负载铂单原子催化剂及其催化性能的基础上,首次提出了“单原子催化”的新概念,立即引发国际上的广泛关注并获得催化界的普遍认可,迅速成为多相催化领域新的研究前沿与热点。

中科院院士林励吾对此给予高度评价:“这是一项创新性很强的研究,开拓了催化研究的一个全新领域。”美国西北太平洋国家实验室的专家评价说:“这是一项非常及时、令人兴奋的研究工作,单个原子是否能够作为多相催化剂中的活性位是催化界曾经思考的问题,该研究给出了明确、响亮的肯定回答。”

值得强调的是,“单原子催化”是少有的由中国科学家提出并进而影响世界催化领域的概念。

铂金催化剂是用途最广泛的贵金属催化剂,但是资源稀缺所带来的昂贵价格,无疑成为横亘在催化剂制造商面前的一道难题。

张涛通俗又形象地介绍说:“科学解决这一问题的关键在于如何让喜欢大群大群地团聚在一起的原子们乖乖地一个个排开,进而每个原子在催化中发挥自己的作用。”他们以氧化铁为载体,首次制备出具有实用意义的“单原子”铂催化剂,实现了多相催化剂制备从纳米水平到原子水平的重大推进。该催化剂的催化活性是传统的纳米催化剂的2-3倍,贵金属的用量却比原先下降了一半甚至90%。

2016年12月,张涛团队有关“单原子催化”的最新成果入选美国化学会化学工程新闻评选出的2016年度化学化工领域十大科研成果。这也是当年唯一入选该榜单的中国科学家的研究成果。

单原子催化目前已成为材料科学和催化科学领域的研究前沿。最近几年,单原子催化得到了迅速发展,国际上多个研究组跟进研究。张涛研究组也没有就此止步,他们在该领域继续潜心攻关,并不断取得新的进展:

2017年,首次发现单原子催化剂具有与均相催化剂相当的活性,从实验上证明单原子可能成为沟通均相催化与多相催化的“桥梁”。

2018年,发现单原子催化剂在醇选择性氧化反应中具有远超纳米催化剂的活性和选择性,首次提出并证明单原子催化剂界面最大化的特性是催化剂具有这种优异表现的重要原因。

2020年,通过简单的物理混合方法,经高温焙烧即可制备得到高热稳定单原子催化剂。

因张涛的研究工作产生的重要影响,他多次应邀在国内外学术会议作大会报告。2012年当选为英国皇家化学学会会士。2013年当选为中国科学院院士,2018年当选为发展中国家科学院院士,2020年当选为加拿大工程院国际院士。

张涛表示:“接下来,我们还将进行其他贵金属的单原子催化研究,如果进展顺利,不仅可以大幅节约贵金属用量,而且单原子相对均一的催化环境有望实现化学反应的高选择性,减少副产物的出现,从而实现真正的绿色催化。更重要的是,单原子催化将会推动传统多相催化研究真正进入到原子尺度的认知水平。”

担起振兴科技新重任

2016年12月,张涛调任中国科学院副院长、党组成员。从研究所领导走上中国科学院的领导岗位,张涛有了更广阔的视野和更高的关注点。他围绕我国科技进步、经济社会发展和国家安全等目标,前瞻谋划,锐意改革,四处奔走,密集调研,以“国家队”“国家人”的职责和使命,勇担“国家事”“国家责”,不折不扣地抓落实。

气候变化是人类面临的全球性挑战,世界各国以全球协约的方式减排温室气体。我国由此也提出碳达峰和碳中和目标,并作出承诺。在2020年长城国际可再生能源论坛上,张涛提出:中国的能源资源禀赋和国情现状决定了不可能发展单一能源,必须进行多能互补,实现煤炭、石油、天然气、水电、风电、太阳能、生物质能、核能并举。目前,各个能源种类之间有一堵堵“墙”,把大家隔离开来,无法实现融合发展。眼下,当务之急就是拆掉能源体系里的这些“围墙”,促进各个能源种类形成一个相互融合的有机整体。

当前,我国处于能源结构调整的重大变革期,为应对发展,中科院决定有效集中能源领域的优势力量,组成“集团军”,发展洁净能源新技术。由于大连在核能、风能、太阳能、生物质能、储能项目及相关产业发展均具备深厚基础及实施国家能源科技重大项目、培养国家能源科技人才梯队方面的优势,早在2017年,中科院便依托大连化物所成立了中国科学院洁净能源创新研究院。此前,大连化物所已启动筹建洁净能源国家实验室,对推动能源革命、实现经济社会可持续发展意义重大。

张涛积极推进中国科学院与大连市的战略合作。2021年9月2日,大连市人民政府与中国科学院共建洁净能源创新研究院框架协议签约仪式在大连举行。张涛与大连市长陈绍旺分别代表中科院和大连市政府在协议书上签字。同时,大连市政府同大连化物所签订了《共建中国科学院洁净能源创新研究院合作协议》。

在领导岗位上,张涛仍然没有放下科研工作,几年来,他与科研团队及合作者一道,继续乘势而上,攻坚克难,取得了一个又一个新的突破。

——在生物质催化转化方面,发现了调控生物质催化转化选择性的一些新方法,在纤维素制二元醇、甘油选择性氢解、芳香烃氢甲酰化等领域通过对催化机理的深入研究,显著改善了催化剂的催化活性和选择性及稳定性。

——在高稳定金属催化剂制备方面取得新进展,在绿色推进剂催化分解、甲烷催化燃烧、二氧化碳还原等反应中表现出优异的反应性能,有望在众多涉及高温反应过程的化工及环保领域中得到应用。

一位颇有成就的大科学家,又是国家自然科学最高学术机构的领军者之一,张涛成才之路的秘诀是什么?用他自己的话说,就是:“勤奋与持之以恒并行,方能将人生梦想转化为现实。”

来源：大连市科技馆科技工作者服务部

选自：《大连上空闪亮的群星——在连院士风采录》

编著：大连市科学技术协会、大连市老科学技术工作者协会