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博士论文创新思维过程分享

已有 1216 次阅读 2021-8-18 13:03 |系统分类:科研笔记

科研创新是各学术领域从事研究的每位学者的追求。但若没有勇于质疑的精神以及善于质疑的思维,恐怕是无从发现问题,也不会产生创新灵感。这是众所周知的。我攻读博士时取得科研创新成果就是又一次例证。

我是自2001年读博课程结束并进入实验室后才开始做甲烷等离子体常压偶联课题研究的。在这之前,从未接触过甚至都没听说过此类学术领域。当时,我从刚刚毕业答辩后离开的师兄弟那里接过了此课题,继续研究。我从查阅并研究文献开始,先了解本领域的相关研究前沿状况,结合本实验室的最新研究进展,发现:(1)文献记载的相关实验研究几乎全都是在单尖-平板(针-板)电极基础上,在两电极之间试着加入各种各样的化学催化剂,几乎涉及化学元素周期表中的全部元素,但是如此仅仅变换化学催化剂所得到的结果,都是超不过碳二烃目标产物单程收率25%的上限;(2)单尖-平板电极设备中,反应过程积碳严重,常压下的甲烷气体放电根本无法长时间连续进行。因为,常压甲烷在放电反应器石英管中开始放电后,立即冒出的浓重黑烟弥漫在反应器中,沉积在器壁上,并在单尖与平板电极之间迅速生长出碳丝,眼看着只有一厘米左右的两电极间隙之间的碳丝很快就相互接近到几乎相连,此时若不立即断电,就会因碳丝相连而发生短路,烧坏作为等离子体发生器的高压电源。即使是在单尖-平板电极之间插入化学催化剂,也是积碳满满,产物收率50多年如一日无法提高到产业化标准(30%)。

当我了解到上述当时的基本现状之后,就在想,我接下去怎么干?还是跟着化学界前人的研究思路走吗?再作更换化学催化剂的进一步尝试?无望!那么,原先研究瓶颈的原因在哪里呢?既然是大量积碳导致无法连续放电,那就应该从解决这个根本问题上想办法,而不是仅仅在化学催化剂的变换上折腾到穷尽。既然甲烷等离子体放电属于等离子体化学,这是物理和化学的前沿交叉学科,我化学专业的人也可以在等离子体放电物理的根本问题上做文章。

于是,产生了创新思路:

1)分析甲烷放电形成积碳(碳单质)的物理化学原因:甲烷偶联的目标产物是碳二烃,是甲烷断裂一个、两个或三个碳氢键后的分别偶联产物,即乙烷、乙烯或乙炔,而积碳是甲烷放电中断掉四个碳氢键的彻底分解产物,即碳单质和氢气。那就是说,单尖-平板电极放电通道中能量太大了。

2)考虑如何使单尖-平板电极放电通道中的能量降低:如果把一条放电通道变成若干条,那么,在输入电场总能量即总输入功率不变的前提条件下,每一条放电通道的能量就会降下来,就会减少积碳!于是,我设计并制做了一套“多尖端-平板”电极。但当我兴高采烈地安装好接有新电极的反应设备并开机操作时,却发现多尖端电极中只有一个尖放电!大失所望!我想了一下,哦,明白了,这是因为多尖端电极不可能制做得严格控制在同一个平面上,只要不在同一个平面(也许是纳米级的或是其他水平的),静止多尖端电极就不可能同时放电,而只能是最突出的那一个尖端电极与平面电极之间的单尖-平板放电!

3)于是又查资料。终于查到了一个当时的最新研究成果,日本的一个研究团队发明了一套“旋转弧形刀刃-平板电极”用于甲烷等离子体放电。他们以高速自转的刀刃状转动电极与固定平板电极间产生常压甲烷等离子体反应区,但其工艺只获得甲烷转化率22.5%,相应C2烃收率只有15.2%,很可怜,并且还是遭受大量积碳。不过,因为有一端是旋转电极,所以严重的积碳并不会使两极相连,一定时间段内还不至于影响连续操作,这就是一个实质性进步。

据此报道,我先是设计制做了一套文献报道的“弧形刀刃旋转电极对平板电极”。研究发现,刀刃上的放电是游动式的(不是整个刀刃线状放电,而是沿着刀刃的一个游动的点状放电),实际效果仍相当于单尖-平板电极放电,旋转刀刃还是几乎等于白转了。

然后我又想,原先设计的多尖端电极转起来会是什么结果?怎么转?如果多尖端电极在一个平面上转,恐怕还是一个最突出的尖在平面上画一个圈,还是一个放电通道,还是积碳严重,而且反应物不可能全部通过放电区,会浪费很多电能。如果让反应物进料气流全部通过放电区呢?那就必须使放电电场场强方向与反应物气流流动方向相互垂直。假如气体流动方向是竖直的,那就需要“多尖端旋转电极对平面电极”放电方向是水平的。这一天,我苦思冥想这个电极构形直至宿舍熄灯后,我躺在床上翻来覆去睡不着。最后,我用手比划着设想,右手五指张开,对着左手心,随着五指转动,左手跟着走,走到半个圈时,突发奇想:有了!让“多尖端旋转电极”对着“固定的同心圆筒形电极”转起来!我一下子兴奋得差点儿叫出声来,但马上意识到另外两位正在睡觉,戛然而止,只是吐了下舌头。那一夜感觉好长啊,几次醒来都还没有天亮。第二天,我就开始设计,连续制做了三套电极。一套是,在一个金属杆上接三个同心圆金属片,每个金属片上开出9个同心圆电极尖,然后是一个配套的圆筒形电极;另外两套中,同心圆筒形电极构形不变,只是同心圆金属片的尖端数不同、金属材质不同以及半径不同,以便获取对比实验数据,作定性与定量研究。

在多尖端旋转电极做好之后,我还是用之前用过的化学实验室的搅拌器支架及其马达作旋转电极的驱动设备。石英反应器也作了重新设计,除了在反应器上下侧面留有进料口与出料口外,还在中间一侧器壁上留有反应器内的筒形固定电极接外部电路的密封口。在对反应器的上下封口如何与所穿过的旋转电极杆间做好密封的问题遇到困惑时,导师指导我,可以用聚四氟乙烯薄膜试一试。我一试,果然可以。在开机放电实验前,在甲烷进料几十分钟后,气相色谱在线监控分析显示,反应器内空气含量小于爆炸极限。所有的设计制做与准备实验完成后,一天晚上,我经过一天的精心实验准备,终于一切就绪了,我一刻也不想拖延地开机放电了!晚上9点多钟,首次新实验成功了!当我看到那一片海蓝色的甲烷-氢气辉光放电时,激动地马上打电话告诉了导师。第二天,当导师到实验室看到这一幕时,像个孩子似地高兴地拍着手跳了起来说“啊!真好看!真好看!”

 “多尖端旋转电极对同心圆筒形电极”构成的常压甲烷放电反应腔是蓝色明亮稳定的闭合环形等离子体反应区,此放电反应区及其所形成的等离子体鞘带电粒子层场强方向与反应物气流方向垂直,几乎全部反应物连续通过放电区。此创新电极工艺在等离子体甲烷常压偶联实验研究中,不饱和C2烃的选择性大大提高,积炭量大大减小,取得了常压下甲烷放电可长时间连续操作的突破性研究成果。随后,又为解决少量积碳问题,研究发明了仅切换进料为纯氢气就可以消积碳的便捷方法。定量研究结果显示,常压等离子体条件下多尖端旋转电极甲烷偶联反应的最高转化率73.9%,相应的C2烃最高单程收率71.3%C2烃选择性96.5%,这是突破本领域50多年研究瓶颈的成果。我博士毕业就职于辽宁师范大学化学系(现改称化学化工学院)后,与大连理工大学合作,又在指导博士生的后续研究中,在理工大学等离子体物理专家指引下,亲赴杭州磁流体技术科技公司,协商设计了相关磁流体密封圈,从而完善了此项创新发明。进一步的实验研究证明,此项研究创新成果有进一步作中试放大与产业化的重大价值。因为,以此创新工艺技术可充分利用现有世界大储量的可燃冰(海底固态甲烷)与可再生能源沼气(主要成份是甲烷)作为制备高分子材料单体(乙烯和乙炔)的可再生材料能源,并同时可用于二氧化碳等温室气体的转化利用(此项目急待进一步研究,以控制全球气候变暖),实现人类可持续发展的伟大战略目标。

以上创新思维过程说明,创新成果需要创新思维,创新思维就是在充分了解相关前沿状况的基础上,要相信事实,而不是迷信权威;要敢于否定,而不要定势思维;要善于揭出实质性问题,而不是急于做表面文章。


【注:此博文首发于2018-7-21 14:40。因首发时写错一个词,故在超时限经修改后重新发布。特此注明。】



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