他“馴服”了稀土鈰，用“脫硝”守護藍天白云

“我的夢想是通過不斷的科技創新，為大氣污染治理工作服務，還天空一片湛藍白云飄，還河流一片澄明見底空。”南京工業大學材料科學與工程學院教授沈岳松，出生于青山綠水之地安徽望江，是一個“80后”科研人，自2005年入學南京工業大學攻讀碩士學位開始，就一直奮戰在綠色高效“脫硝”的路上。

日前，由沈岳松主持的項目《輕稀土基整體蜂窩式煙氣脫硝催化劑的關鍵技術及產業化應用》，在2022年度中國化工學會科學技術獎評審中獲得技術發明獎一等獎。

當疲憊時想起這首歌

“藍藍天上白云飄，白云下面馬兒跑……”沈岳松工作疲憊時會哼唱蔣大為這首《草原上升起不落的太陽》。他說，當科研疲憊時，這首歌所呈現出的美好畫面會魔幻般地給他提供精神動力，敦促著他不懈前行。

為了打贏“藍天保護戰”和實現“碳達峰、碳中和”，煤改氣成為減污降碳發展的重要舉措。然而，煤改氣過程中氮氧化物排放不減反增，是形成PM2.5、酸雨、霧霾和臭氧等污染物的重要前體物。因此，氮氧化物治理（俗稱“脫硝”）是大氣污染長久治理的重點，也是十四五要求實現PM2.5和臭氧等多污染物協同控制的關鍵。

“大氣污染開始從硫酸型霧霾轉變為硝酸型霧霾，脫硝任務更加突出，氮氧化物超低排放成為當前耗能產業亟待解決的卡脖子難題。”據沈岳松介紹，煙氣脫硝治理的關鍵在于選擇性催化還原高效脫硝催化劑的應用。作為氮氧化物排放大國，我國前期引進、消化吸收了國外釩基脫硝催化劑技術，這雖然部分緩解了氮氧化物的污染，但因其活性組分五氧化二釩屬水溶性劇毒物質，不僅在生產使用中，而且在廢棄后仍具高毒性，再次威脅環境安全，難以實現綠色可持續發展。

“水溶性五氧化二釩用于脫硝催化劑還存在三個弊端：其催化SO₂向SO₃高效轉化，SO₃易與氨反應生成大量硫銨鹽，造成催化劑中毒失效；其高溫揮發性易造成二次污染，不適用高溫脫硝；廢棄釩基催化劑已于2014年被生態環境部列入危廢監管，無害化處理費用高達4000元/ 立方米。”據沈岳松介紹， 他們團隊研發的稀土基催化劑環境友好，沒有危廢處置問題。

稀土基催化劑“完美”問世

“從碩士到博士再到博士后，從國內到國外再回國內，我對輕稀土基脫硝催化劑可謂‘一往情深’。” 沈岳松笑著說，2005年，他考入南工大攻讀碩士學位，在南京工業大學教授祝社民指導下，開始著手研究環境友好的煙氣脫硝催化劑。

祝社民和南京工業大學教授沈樹寶伉儷曾先后前往加拿大渥太華大學、丹麥技術大學和日本金沢大學等海外高校從事講學和合作科學研究工作，接觸了國際上最新的空氣治污理念——用稀土基催化劑取代釩基催化劑來脫硝。

“稀土在我國具有高豐度、價廉等特點。”祝社民表示，目前尚有貴金屬和分子篩等兩種脫硝催化劑，但貴金屬催化劑動輒每立方米近百萬元成本高、分子篩脫硝催化劑易發生灰堵等情況，而金屬氧化物催化劑成本低、熱穩定性高、抗中毒能力強，因此開采重稀土時產生的輕稀土廢渣即氧化鈰，憑借環境友好、強氧化還原特性得以脫穎而出。“但是，氧化鈰存在酸性弱、易硫中毒、高溫水熱穩定差和活性窗口窄等‘短處’，不能直接用于替代五氧化二釩。”

“微觀結構差異會導致材料性能的迥異，如同由碳原子構成的物質，有的貴為鉆石，有的僅為木碳。”沈岳松形象地解釋了同素異形體和同質異構體的區別。

為使輕稀土氧化鈰既能替代五氧化二釩作為脫硝催化劑，又能克服自身弊端，沈岳松從碩士讀到了博士，后又前往美國亞利桑那大學從事博士后研究工作。“海外的導師雖曾向我拋出了橄欖枝，但是課題組的一紙召喚，結束了研究工作后，我還是義無反顧地回到了母校、回到了團隊。”

十八年的時間，沈岳松慢慢地掌握并“馴服”了稀土鈰，首次提出并成功研制了以其為主活性組成分的綠色高效脫硝催化劑，通過三個創新點改性，揚其長補其短，實現了稀土基催化劑全生命周期綠色高效脫硝和大規模工業應用。

“過程很艱辛，經歷了成功—失敗—成功的循環往復，符合科學研究螺旋式上升的路徑。”沈岳松表示。起初我們以單一氧化鈰為活性組分，研制了系列負載型鈰基催化劑，在寬范的活性溫度窗口內取得了高效的脫硝效率，以為該系列催化劑可以直接替代釩基脫硝催化劑了，但是在工程試驗中又出現了運行壽命短的難題。

團隊成員、南京工業大學教授陳英文介紹，他們創建了高效鈰基復合氧化物脫硝催化劑新體系，實現了煙氣脫硝催化劑的環境友好，為高豐度輕稀土鈰高附加值利用開辟了新路徑，新型稀土基系列催化劑脫硝效率高（＞90%），活性溫度寬（280—450℃），使用壽命超過5年，顯著優于商用中溫釩基催化劑。

“通過化學修飾、納米改性，我們發明了整體蜂窩式脫硝催化劑的關鍵制備技術，解決了蜂窩催化劑的高活性與高強度難以并存的難題，提升了國產鈦白粉性能，既解決了其脊性成型難問題，又使原料成本下降了20%，實現了載體鈦白粉的國產化。” 團隊成員、南京工業大學教授級高工王志民介紹，他們提升了材料強度和催化活性，使稀土基催化劑的強度、硬度較之釩基催化劑提高了2-3倍。工程試驗表明釩基催化劑在反應器中1次爆管即坍塌，而稀土基經歷4次爆管依舊完整無損，運行時間遠超5年。

“開發了提前響應噴/閉氨的方法，實現了稀土脫硝催化劑在波動工況下儲/釋氨性能的高效穩定，氨逃逸小于3 ppm。”據沈岳松介紹，他們還研發了失活催化劑負壓清灰、超聲水洗及活性修復等系列再生新工藝及裝備，二次脫硝成本降低40%。同時，他們將廢棄的稀土催化劑資源化制備成多孔陶瓷膜催化劑、鈦基紡織瓷及催化膠結電石渣磚等，實現了輕稀土基催化劑的應用與再生利用。“為了更好地保護環境，我們變廢為寶，使廢渣再次發揮作用，實現了稀土催化劑的全生命周期的綠色可持續發展。”

建成世界最大生產線

2016年，稀土基脫硝催化劑被國家三部委指定為釩基脫硝催化劑的替代品。脫硝工程已在中國華能集團有限公司、中國大唐集團有限公司、中國神華集團有限責任公司等全國280多家火電、建材、化工行業應用，近五年新增經濟效益24.5億元。

“我們公司近期要上環境友好型脫硝催化劑生產建設項目，對你們研發的環境友好型稀土基脫硝催化劑很感興趣。”8月底，中國石化催化劑有限公司副總經理劉志堅率隊來南工大，找沈岳松團隊洽談合作事宜。“成熟的稀土脫硝催化劑倍受市場歡迎，早前就知道該項目的技術成果已建成世界最大脫硝催化劑生產線。”他興奮地說道。

“我們的稀土基脫硝催化劑在山東天璨環保科技有限公司、內蒙古希捷環保科技有限責任公司量產，實現了產能5萬立方米/年。”沈岳松補充道，“2015年，日本住友商事金岡秀紀總經理也曾率隊來找我們商談合作，這讓我們十分的自豪，上世紀五六十年代，美國研發出的SCR煙氣脫硝技術是由日本率先進行了工程應用。”世界上SCR脫硝技術產業化的領跑者來談合作，讓團隊成員感慨萬千，倍受鼓舞。

“項目成果填補了國內外煙氣脫硝無毒催化劑技術的空白，達到了國際領先水平。”早在2011年，國家科技部、環保部、工信部、發改委、環境院等部委參加的成果鑒定會上，評審專家一致給出了很高的評價，認為該項技術成果顯著提升了我國無毒脫硝催化劑的技術水平，推動了產業進步。

據悉，該項目先后獲授權發明ZL34件，主導制定了GB/T 34700-2017稀土型SCR脫硝催化劑國家標準，入選國際百強環保技術等。