Faculty of Science, The Chinese University of Hong Kong (CUHK) - 宋春山 教授 (理学院)

中大理学人

研之成理:
任重道远——用科研应对难题,以科学服务社会

 

宋春山 教授

理学院

 

任重道远——用科研应对难题,以科学服务社会
新冠肺炎的突袭令飞机停飞、制造业和工业停产,能源需求锐减,连带全球二氧化碳 (CO2) 排放量也显著下降,是次疫情唤起大众关注能源和污染的议题。回到疫症未来时,科学家一直透过科研寻找洁净能源,利用不同方法改善烃化物 (Hydrocarbon) 的加工过程,消除燃烧时污染物的排放;而主力研究催化与能源、燃料化学的伟伦化学教授宋春山教授也是其中一员。

宋教授多年来致力研究清洁燃料、催化和二氧化碳捕集与利用。他曾发表三百篇学术论文,编着十五部英文书籍,并持有八项发明专利,当中的原创性研究更是屡获殊荣。2020年7月,宋教授从工作和生活三十多年的美国移居香港,加入中大出任理学院院长,承接理学院多年来培养及启发新一代科研人才的使命,继续以科学服务社会。

 

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2020年7月,宋春山教授履新,出任中大理学院院长。

 

取诸自然,用诸自然
化石燃料是古生物,当中包括动物及植物,在地壳中的地热和压力下、经过数以百万年计转化而成的燃料。燃料开挖及转化技术虽然发展成熟,但这块大自然瑰宝却一直未能有效、充份地使用。人类开采及使用化石燃料的速度远超大自然转化的能力,虽然已经尽力减少对化石燃料的依赖,但需求仍持续求过于供。加上燃料原先带有不少杂质,燃烧时所释出的化学物会为环境带来污染。举例说,在燃烧燃料期间,当中的杂质硫 (Sulphur) 会变为二氧化硫 (SO2),这种化学物亦是造成酸雨的物质之一。

面对能源短缺及种种污染的威胁,科学家绝不怠慢,致力透过不同方法改善烃化物的提炼过程,减少废气的排放。在加入中大之前,宋教授是美国宾夕凡尼亚州立大学 (Pennsylvania State University) 燃料科学杰出教授、化学工程系教授及能源研究所所长。他的研究集中找出合适的催化过程 (Catalytic process),以更有效、洁净的方法使用化石燃料,去除燃烧时产生的杂质产物。

他早年的工作着眼改良煤液化 (Coal liquefaction) 的过程,以转化液体合成燃料,如汽油和飞机燃料等产品,可以更有效地使用能源。他的研究提倡取诸自然,用诸自然。在他于1995年发表的学术文章,早已阐释了他对燃料发展的构想──希望日后可以直接运用大气中的二氧化碳,加上大自然的水制作氢气,透过化学方式转化它们为可持续、直接使用的能源,用之于自然。二十多年前的构想,现今不再是纸上谈兵,而是推动绿色生活研究的重要方向。而他当日的一份研究使命,造就了不少善用能源、减低废气排放的发明,并已经及将陆续在行业内应用。

 

以科研解决能源棘手难题
除了取之于自然,宋教授接着解决的难题是如何处理燃烧烃化物燃料 (Hydrocarbon fuel) 所产生的燃烧废气 (Flue gas),当中包括温室气体及各种有害气体。业界常用的氨水洗涤法 (Amine scrubbing) 虽能有效地捕集二氧化碳及硫化氢 (H2S),但使用的氨溶液令吸附物容易受到腐蚀,而高温的捕集工作更需用上大量能量。

在美国能源部拨款支持下,宋教授与团队自1999年开发第二代的固体「分子吸附篮」 (Molecular Basket Sorbent,MBS),原理是结合功能性聚合物 (Functional polymers) 及纳米多孔材料 (Nano-porous materials) 来处理燃烧废气。新的固体 MBS 在较低温的环境下,展现了更好的吸附能力,成功捕集废气中的二氧化碳及硫化氢之余,更能大辐降低整个过程所需的能量。此项突破性的发明已在工业规模验证,更获多国,包括美国、英国、中国、南韩和日本等的科研人员垂青,携手合作进一步扩大技术的应用规模。

 

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新一代分子吸附篮 (MBS) 的运作概念。
(J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16, 5777-5783)


另一个有待处理的棘手问题便是工业废气所释出的酸性气体。利用传统方法转化酸性气体存在不少限制,例如湿式洗涤方式 (Wet scrubbing) 不但要在高温下进行,过程中更会产生二级废物;另一种除硫过程克劳斯法 (Claus process) 虽能透过化学反应将硫化氢生成硫磺,但过程中未完全燃烧的气体却会氧化为二氧化硫,污染空气。去年,由宋教授带领的宾夕凡尼亚州立大学研究团队发布一个创新的低温除硫过程,透过不同金属组合成新的硫化物催化剂,再将其结合非热等离子体 (Nonthermal plasma,NTP),产生协同效应。即使在相对低温的环境下,过程亦能一步还原硫化物至硫元素,有别过往处理燃烧废气的程序。透过改变催化剂的组合,技术有望应用于不同类型的废气上,为解决这个难题带来契机。

 

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创新的低温除硫过程结合全新的金属离子硫化物催化剂与非热等离子体 (NTP) ,产生协同效应。
(ACS Catal. 2020, 10, 9, 5272-5277)

 

传承前人绿色科研梦
宋教授在研究烃化物燃料方面成绩斐然,曾获多个国际奖项,包括2007年由北美催化协会芝加哥分会颁发的赫尔.曼磐因斯奖 (Herman Pines Award),以及2019年国际烃类化学领域学术奖项──美国化学会的乔治.欧拉奖 (George A. Olah Award)。每个奖项也肯定了他在燃料科学、洁净燃料和催化研究方面的杰出贡献,而令他受宠若惊的要数到2010年获颁的亨利.斯托奇奖 (Henry H. Storch Award)。

1964年设立的亨利.斯托奇奖,是美国化学会在燃料化学领域所颁发的最高荣誉学术奖项,表彰在燃料科学,特别是捕集应对全球能源及化学挑战方面,作出杰出贡献的科学家。过往奖项的得主均是业内的化学研究翘楚,荣获此奖的宋教授更是奖项设立以来,最年轻及唯一一位华人科学家。回想得知获奖一刻,宋教授惊喜万分,深感荣幸。乔治.欧拉奖冠名的已故科学家乔治.欧拉的研究兴趣也包括二氧化碳的捕集和利用,获颁此奖对他来说别具意义,增添一份传承前人绿色科研梦的使命。

 

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宋教授于2019年美国化学会国家颁奖典礼获颁乔治.欧拉奖 (George A. Olah Award) 。
(相片来源:美国化学会)

 

以科学服务社会
抱着科学家并非只着眼实验数据,更要发挥科研影响力、回馈社会的想法,宋教授多年来担任多项公职。他在宾夕凡尼亚州立大学担任能源研究所 (Energy Institute) 所长长达十三年、大学能源研究联盟 (University Coalition for Basic and Applied Fossil Energy Research and Development,UCFER) 主席五年,期间更分别在2010年及2011年获大学颁发杰出教授 (Distinguished Professor) 和优秀学者奖章 (Faculty Scholar Medal) 等奖项及荣誉。他任内致力提升大学的能源研究实力;在他卓越的领导下,带领了团队在云集美国多间实力超凡的大学、竞争激烈的甄选中脱颖而出,获美国能源部国家能源技术实验室拨款二千万美元,牵头成立由十五所顶尖大学组成的 UCFER,促进成员大学与美国能源部的研究协调及数据共享。

宋教授早已在美国的大学取得终身教席,大可继续专注科研工作,但他却选择离开工作和生活三十余载的美国,到香港出任中大理学院院长,迎接全新的挑战。在收到院长一职的邀请后,知道中大具备国际一流的研究水平及学术氛围,更打动他的是中大「结合传统与现代,融会中国与西方」的使命。「我深感荣幸获邀出任院长一职。我希望在这个充满归属感的地方,善用自己过往累积的经验,带领中大理学院放眼国际,更上一层楼。在履新后,我接触到院内不同部门及研究单位,认识到各项顶尖的科研成果及一众优秀人材,使我更期待跟不同学者交流,结合各人所长,合作发展能源研究。」宋教授道。

 

坚守信念,奋力向前
宋教授履新之时碰上第三波疫情,院内大小的学术交流、教学活动多以网上进行,遇上的困难和挑战再添一重。他由衷感谢前任几位院长的努力和贡献,为学院立下稳健、扎实的基础;也同时感谢大学、院内师生的支持,让学院迎难而上。

纵使前路可能是荆棘满途,但他的座右铭「Do the best I can to move things forward and leave no regret」总教他全力以赴,不留遗憾。他期待在疫情过后,有更多机会在校园内跟师生逐一交流。他更希望透过鼓励师生互动,促进各项跨学科合作和创新研究,营造一个更多元及更有利教学、科研的理想学习环境。同时,他也寄望在全院上下的努力下,带领中大理学院走出香港,积极与海外研究机构及学院更紧密合作,建立良好关系,携手发挥科研的影响力。

 

文:熊思敏  |   编辑:宋嘉恩