郭向云
结缘碳化硅 精选
2021-7-28 14:41
阅读:2329

   2021年7月,学校已经放假了。

   对大学老师来说,暑假是一年中相对比较轻松自由的日子。但今年的暑假却有些例外,有两个跟碳化硅相关的项目需要我去答辩。就在这个时候,我收到法国朋友的邮件。他说,我们关于碳化硅催化应用的综述文章被在《化学评论》(Chemical Reviews)接受了,而且还可能选为封面。《化学评论》是化学领域最高水平的综述类杂志,能在这上面发表文章的一般都是国际上在某个领域已经有些名气的课题组。尽管这个消息是意料之中的,但我还是有些小小的激动。20年前,我独立开始工作的时候, 从事碳化硅催化的人还很少,翻遍一整年的《催化学报》(Journal of Catalysis)也很难找到一篇跟碳化硅相关的文章。现在,每年在各种学术杂志上发表的相关文章已经快100篇了。比起那些时常见诸于大众媒体的热门研究方向来,这可能算不了什么。可是,能见证到这个不起眼的方向20年来从小长大的经历,也不是一件容易的事。

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20年前,高比表面积碳化硅还只是实验室自制的稀缺品。现在,我们的高比表面积碳化硅产品已经在市场销售。当年,我在法国奥尔良产生做高比表面积碳化硅这个想法的时候,说什么也不会想到它会成为我一辈子的事业。

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2000年,我在法国奥尔良大学的一个实验室做博士后研究。这个实验室是法国国家科研中心与奥尔良大学联合共建的,专门研究电离气体的性质和应用,所以研究人员大多都是物理科班出身的。跟我一起工作的帕斯卡也不例外,他希望我用分子动力学方法模拟氮化硅在无定形硅薄膜的沉积过程。当时,实验室正研究如何采用激光或等离子体在器物表面形成一层高稳定性的耐磨层。具体地讲,就是先用激光或等离子体将氮化硅或碳化硅靶材气化,然后沉积到器物表面,形成一层致密保护膜。我的工作是采用分子动力学模拟方法,研究氮化硅在表面沉积时成核和生长的动力学,以及激光能量、表面温度等对沉积过程的影响。


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这个课题对我来说,几乎是全新的。我本科学的是化学,博士论文是在中科院山西煤炭化学研究所完成的,在德国作洪堡时研究的也是跟催化相关的。这么一圈转下来,我头脑里有的只是金属活性组分,以及分散金属活性组分的载体,如氧化铝、氧化硅、分子筛等,对于氮化硅或者碳化硅一点儿概念都没有。现在要跟这两种材料打交道了,我不得不恶补一下相关的知识。好在那时候已经有了互联网,不需要去图书馆就可以找到关于这两种材料的一些常识,如化学稳定性、导电导热性、原子半径、氮-硅和碳-硅化学键的长度等。对于动力学计算来说,最重要的是原子间相互作用势。不过,帕斯卡已经给我找好了。因此,没过多久我就开始了写程序的枯燥生活。办公室没人的时候,还可以在网上看看八卦消息、花边新闻,不知不觉中时间就一天天地过去了。

有一天,我突然想到:氮化硅和碳化硅这两种材料化学稳定性这么好,又有良好的导热性,为什么没有人用它们做催化剂载体呢?要知道,催化反应中许多都是在高温下进行的,或者反应过程强烈放热。常用的催化剂载体,如氧化铝、氧化硅等高温下不稳定,容易和金属组分发生反应。另外,由于载体导热性不好,不能及时扩散反应热,还容易导致金属活性位点温度升高、催化选择性变差、积碳等问题。如果采用氮化硅或碳化硅做载体,这些问题似乎都可以避免。实验室有个小伙子刚刚在《催化学报》(Journal of Catalysis,国际学术期刊)上发表了一篇钯/碳化硅的文章,不过他用的碳化硅是单晶片。这种东西很贵,比表面积也很低,不大可能用做实际催化剂的载体。有没有一种能做催化剂载体用的碳化硅或氮化硅呢?

有了这种想法后,我就迫切地想知道它的可行性。计算机在跑程序的时候,我就在网上找文献,看看有没有用碳化硅或氮化硅做催化剂载体的文献。这一找,吓了我一跳。墨菲定律说,如果你觉得自己产生了一个奇妙的新想法时,很可能许多年前就有人有过类似的想法。很不幸,我这次也没能逃脱墨菲定律的魔咒。原来,早就有人在尝试制备高比表面积的碳化硅,也有人在用碳化硅做催化剂载体。国际上做的比较好的课题组,有法国斯特拉斯堡大学的Ledoux教授,荷兰代尔夫特工业大学的Moulijn教授等。在这些大名鼎鼎的教授们已经探索过的地方,我这样默默无闻的小人物还能有所作为吗?一个小小的土坑,大人物都已经挖过了,还能遗留下什么东西吗?我不免有些沮丧。

尽管如此,我还是继续浏览相关的文献。当时,我在国外已经漂泊了将近三年了。三年的时间虽然不算长,可是我觉得不能老这样漂下去了,需要找个机会回国去发展。如果回国的话,就面临两种选择。一种是跟着从前的老板干或者加入另外一个厉害的课题组,另一种就是找一个没人看得上的土堆并将它堆成一座山头。前者可能会省不少的力气,也能有更好的平台和更多的资源,几乎没有风险。后者相当于徒手创业,困难和风险可想而知。可是,自己弄个山头在上面种什么呢?

从读研究生开始,我做的就是计算机模拟方面的研究,采用的方法主要是蒙特卡罗方法。在德国作洪堡学者时,用蒙特卡罗方法模拟表面反应的动力学。到了法国,又用分子动力学方法模拟氮化硅的沉积过程。虽然采用的工具没有变化,但研究对象却完全不同。几年下来,虽然总有文章发表,可是东一榔头西一棒槌的,在哪个方向都没什么成就感。我觉得,计算机模拟就是一种解决问题的方法,而这些问题往往要从别人的实验结果中去寻找。这样一来,从事计算机模拟研究就像是“为他人作嫁衣裳”。对于我这样一个喜欢异想天开的人来说,这肯定不是我喜欢做的。另外,作为一个化学科班出身的学生,我内心里还是很喜欢那种做实验的真实感。

在网上调研的过程中,我发现氮化硅和碳化硅虽然有许多性质相似,但是表面性质不一样。氮化硅表面因为有氮原子的孤电子对,呈较强的碱性,而碳化硅表面则接近中性。碱性载体适用的催化反应可能会少一些,所以关于碳化硅的文献上明显多一些。当然了,这是我当时的想法,也不一定对。不管怎样,我的兴趣慢慢地集中到碳化硅上了。

在1998年的一篇文章中,Moulijn教授把几种制备高比表面积碳化硅的方法列成一个表,其中有化学气相沉积法、聚碳硅烷裂解法、活性炭模板法等。这些方法中,只有聚碳硅烷裂解法可以得到比表面积超过100平方米/克的碳化硅。采用其它方法制备碳化硅时,需要两种反应物,一种是提供碳的前驱体,另一种是提供硅的前驱体。两种前驱体在1000oC以上相互接触、反应,才能产生碳化硅。我想起读研究生时师兄们做催化剂的情形,他们经常采用溶胶-凝胶过程制备高比表面积的催化剂载体,如氧化铝、氧化硅等。这时,我心中猛然升起了一个念头,能不能也采用溶胶-凝胶的方法制备高比表面积的碳化硅?再仔细看Moulijn教授的文章,他的确没有提到利用溶胶-凝胶过程制备碳化硅。如果真是这样的话,对我来说岂不是一个天大的机会?

   我又在网上调研了一段时间,发现无论国内还是国外市场上都没有销售高比表面积碳化硅或氮化硅产品的。于是,我便暗下决心,从制备高比表面积碳化硅开始,做一些有自己特色的工作。


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