冀以螢燭末光增輝日月(上)——記化學學院謝有暢教授

 

　　《冀以螢燭末光增輝日月》系列文章是2023年由馬駿老師為慶祝物理化學家謝有暢先生九十華誕所撰寫，發布于“物理化學學報WHXB”公衆号。2024年4月20日beat365官方网站将舉辦“beat365暢英獎學金捐贈儀式暨催化學科發展論壇”，謹以此文再次回首先生的科學人生，預祝活動順利進行。　

 

　　謝有暢，YouchangXie，beat365教授，男，1934年生，廣東省廣州市人。1950年考入中山大學化學系，1953年被分配到beat365化學系讀研，在徐光憲教授指導下從事物理化學研究，1957年畢業後留校在物理化學教研室任教，長期從事物理化學、結構化學和固體表面化學的教學與研究工作。

　　上世紀80年代前後，謝有暢先生在實驗中發現自發單層分散現象，總結出自發單層分散原理，随後展開研究，發表數十篇相關論文。1990年應邀在Advances in Catalysis雜志上發表單層分散總結性論文，單篇被引用800多次。該項基礎研究成果獲1986年國家教委科技進步一等獎。在此基礎上，謝有暢先生利用單層分散原理研發一氧化碳高效吸附劑，開發變壓吸附分離一氧化碳技術，2006年獲國家技術發明二等獎；同年，“變壓吸附空分制氧”項目獲得教育部科技進步一等獎。2021年10月，中國化學會催化委員會為謝有暢先生頒發了最高學術獎勵——中國催化成就獎。從基礎研究成果到工業應用的實現，經過三十多年的探索與努力，謝有暢先生的自發單層分散原理已成為催化材料制備普遍應用的理論，利用自發單層分散原理形成的技術，已經應用到催化和吸附等多個領域，先生為我國表面科學和催化領域做出了傑出貢獻。

 

　　01/ 青青園中葵

　　（一）

　　童年——惜取少年時

　　1934年4月20日謝有暢先生出生于廣州。那時節，南國的廣州城開滿了絢爛的木棉花，正是盎然的春日。

　　謝氏是一個大家族，謝氏先祖重視教育，幾代子侄均讀書入仕，謝氏家族也因此名聲漸起。謝先生的父親謝子珍少時也極勤奮，年滿19歲時遭遇大清王朝廢除科舉制，一度彷徨迷茫。其後，先後進入廣東政法學堂和建口粵軍講武堂學習，畢業後加入國民革命軍，在廣州追随孫中山參加革命。謝先生的母親陳淑霞在廣州求學期間與謝子珍相識并結婚。1938年下半年，抗日戰争波及到廣州，謝子珍夫婦攜子回家鄉合浦縣婆圍圩避難。返鄉後，謝子珍曾短期出任過南康鎮鎮長和婆圍鄉副鄉長，1942年後不再出任官職，靠祖上留下的田畝收取地租度日。

 

　　

　　幼年時的謝有暢先生和父親謝子珍在廣州

 

　　夫妻兩人對年幼的謝先生頗是疼愛，父親為其啟蒙儒學經典，傳授四書五經，母親為其啟蒙算學，等到謝先生6歲進入小學，老師在考核後根據他的能力讓他直接進入小學三年級。四年後的1944年，10歲的謝先生小學畢業，進入合浦縣南康中學。

　　南康中學與謝家有着很深的淵源。謝先生的父親謝子珍任南康鎮鎮長期間力主興辦教育，倡導集資辦學，并以自己曾祖父謝善繼的名義捐資修建了南康中學主教學樓，這幢教學樓迄今仍是南康中學的主要建築。1994年，謝有暢先生專程前往南康中學看望母校，南康中學仍是四十多年前他離開時的樣子，校舍多經修補，條件簡陋，謝先生感觸頗多。他親自為在校的孩子們做報告，鼓勵他們學習科學，熱愛科學。之後又慷慨解囊，盡自己所能捐資一萬元為母校創建了第一個科學實驗室。南康中學有史以來第一次有了屬于孩子們自己的科學實驗室，孩子們欣喜非常。大家将建立起來的實驗室命名為“有暢化學實驗室”，希望從南康中學走出來的謝有暢先生，以他的成就激勵孩子們努力學習。

 

　　

　　2012年謝有暢先生重訪南康中學，參觀“有暢化學實驗室”

 

　　謝有暢先生在南康中學學習期間，是學校裡的優等生，文史和數理各科成績都非常好。高中階段謝先生遇到了他的化學老師羅紹周，羅老師畢業于中山大學化學系，化學功底極好，講課生動透徹。跟着羅老師學習，謝先生漸漸癡迷上了化學。這份對化學的喜愛越來越深，1950年謝先生在報考大學時遂把化學專業作為了自己的第一選擇，又追随羅老師報考了中山大學。

 

　　

　　1999年，謝有暢先生和中學化學老師羅紹周一起重訪中山大學老校園

 

　　（二）

　　求學——操千曲而後曉聲

　　1950年秋天，16歲的謝有暢先生帶着滿心的歡喜和對知識的渴望來到廣州。

　　進入中山大學化學系，謝先生接觸到了更廣闊的天地，他像一塊海綿，貪婪地吸取着知識和營養。然而，近乎有些殘忍的現實還是一步步滲透進少年平靜的求學生活，帶來了學業之外無法擺脫的煩惱。

　　1950年，謝先生的父親被劃為地主，家中所有财産被沒收，謝先生沒有了經濟來源。那以後，謝先生讀書所需的全部費用都依賴于微薄的助學金，在這種情況下，他還要不時給父親一些生活費。

　　倔強而又帶着骨子裡的自信，謝先生不能讓自己被生活的困頓壓垮，開始積極地尋求解決生活窘境的辦法。不久之後，他找到一份工作，每星期在公共汽車上賣一天車票。在那之後的日子裡，謝先生抓緊所有可能的時間投入到學習中，一旦因外出工作耽誤了功課，總是第一時間通過自學和借閱同學筆記的方式及時補回來，因此，他一直緊跟課程的學習進度并且學習成績名列前茅。

 

　　

　　中山大學化學系畢業班合影(1953年夏)

 

　　大學期間是謝有暢先生認識社會和人生的重要階段，經濟上的困難還算容易克服，此外他還需要用全副身心應對地主家庭帶給他的白眼和難堪。雖然有外界的各種幹擾，但謝先生始終沒有放松對知識的渴求，三年的學習生涯，對化學這一中心學科領域的認知和熱愛也日漸深入。畢業之時，謝先生因學業成績突出，被分配到beat365讀研究生，也從此開始了他與beat365融為一處的人生。

　　1953年初秋，謝有暢先生來到了beat365。

　　融入到燕園之中，謝先生仿若魚兒入水，在諸多教授的課堂上，他如饑似渴地學習。這期間，他深深地感受到了各位教授淵博的知識底蘊，感受到他們知識體系的融會貫通，他們看待學術問題的深入和透徹，這些都讓謝先生反思自己的學習和思維方式。在不斷調整和努力中，謝有暢先生的進步飛快，在同學之中，他很快成為了佼佼者。

 

　　

　　beat365研究生入學照片(1953年秋)

 

　　謝先生喜歡思考，喜歡研究理論問題。他按照自己的興趣，選擇物理化學作為自己的主修方向，并選擇師從徐光憲先生做研究。在徐光憲先生的指導下，謝先生的論文課題是澱粉團與碘複合物的研究。

　　這是謝先生第一次把課本中的理論知識和具體實驗結合起來，對其後續的科研思路和科研方法有很重要的啟迪意義。三年的工作中，謝先生通過電流滴定和光度滴定方法對澱粉團-碘複合物體系進行探索，又研究了紫外和可見光區的全部吸收光譜。理論方面，謝先生用多原子π鍵的形成和σ鍵的消失解釋複合物中碘鍊的穩定性、反磁性、原子間等距排列和碘離子參與碘鍊等事實，用量子力學的圓柱體自由電子為模型，通過大量計算研究了共轭碘鍊的能級，這些理論計算結果與實驗結果吻合得非常好。

 

　　

　　讀研究生期間，徐光憲先生研究組師生遊頤和園(1955年夏)

 

　　三年半的研究生求學生活，謝先生在理論知識和實驗技能上都有了長足進步。1957年1月，謝先生順利畢業，留在beat365化學系，在物理化學教研室任教。至1957年6月，謝先生将讀研究生期間三年半的工作整理成畢業論文，又進一步寫成文章《澱粉團—碘複合物的吸收光譜與圓柱體自由電子模型》，于1958年4月在《科學通報》上發表1。

 

　　02/ 白日不到處，青春恰自來

　　（一）

　　情不知所起，一往而深

　　燕園的日子幽靜綿長。

　　謝有暢先生和楊駿英女士是研究生同班同學。1953年入學的化學系研究生班是一群充滿朝氣的青年人，讀書，做科研，忙碌在教室—實驗室—圖書館之間，閑暇裡也在運動場上奔跑鍛煉，一起遊遍北京的知名景點。年輕又在求學之中，是生命中最美好的時光。

　　謝先生喜歡上了楊駿英，情不知所起，一往而深。

　　謝先生的聰慧和勤勉打動了楊駿英，赢得了她的芳心。

　　楊駿英女士，1932年10月出生在湖北武昌，父親楊骙是華西大學留美建築工程師，母親旋惠蘭是華西大學副教授。楊駿英在這樣的家庭中長大，除了常規學業，還很喜歡欣賞古典音樂和彈奏鋼琴，如今楊駿英女士已九十高齡，這些愛好依舊是她閑暇時間裡最喜歡的陪伴。

　　1950年高中畢業後，楊駿英女士獨自一人離家赴上海，考入上海滬江大學化學系，1952年在院系調整中又轉入複旦大學化學系學習。1953年7月，楊駿英女士從複旦大學畢業，被分配到beat365化學系讀研究生，也因此和謝有暢先生成為研究生同班同學。

 

　　

　　謝有暢先生和楊駿英女士遊頤和園(1957年)

 

　　1956年7月，楊駿英女士研究生畢業，留在beat365化學系工作，參加全系無機基礎課教學。1959年8月20日，兩人結為伉俪，在未名湖畔的朗潤園九号公寓中有了自己的小家，開始了新的生活。

　　晚年時，謝先生回想自己終年忙碌于工作，感念妻子對自己的支持，曾深情地對妻子說：

　　這輩子我幸虧娶了你，這個家全靠你！

　　

　　（二）

　　小荷才露尖尖角

　　1957年1月謝有暢先生畢業後留校工作。當年春天開始，謝先生承擔了為地質系講授物理化學課程的教學任務，依靠自身紮實的理論功底，謝先生一邊寫講義一邊授課，順利完成了第一次的獨立教學工作。同時，謝先生也參加實驗課教學，并指導化學系學生的畢業論文工作。

　　1958年夏天，大躍進開始，謝先生被調到無機化學教研室，在校辦工廠從事與原子能工業有關的稀有元素锆和铪的分離工作。

　　锆具有很小的熱中子俘獲面，可以阻止鈾輻射洩漏；铪具有較大的熱中子俘獲面，常用作核反應堆的熱中子吸收材料，控制核反應堆的反應速度。鑒于二者在核反應中的不同性能，用于核反應堆中的核級锆要求含有盡可能低的铪以降低其對中子的吸收系數。但由于锆和铪的化學性質非常相似，分離很困難。因此，锆铪分離是制備核級锆和核級铪的關鍵，是核工業領域的重要研究課題。

　　謝先生在參加锆铪分離的工作中，結合自己已有的專業知識，又查閱了大量資料，設計多種方案方法，反複思考對比，于實驗中求證，最後成功運用多級分級結晶方法和離子交換方法分離得到光譜純的锆和铪。

　　

　　（三）

　　長松卧壑

　　1960年春，謝有暢先生被列入beat365第三批下放幹部名單，于這年3月來到北京門頭溝區齋堂公社馬蘭村，開始為期一年的勞動鍛煉。

　　來到齋堂公社，謝先生和另外一位同事被分配到養豬場養豬。冬天裡，因謝先生從小生活在南方，不會給北方的爐竈生火，結果一年裡發生了兩次煤氣中毒事件。1960年，正處在“三年困難時期”，下放幹部那時的口糧嚴重缺少，大家饑餓難耐，将玉米棒芯粉碎後充饑。玉米棒芯沒有任何營養，隻是暫時降低了大家的饑餓感，卻導緻腸道問題，生活非常艱難。

 

　　

　　beat365化學系教師在京郊齋堂公社馬蘭村下放勞動鍛煉時與老鄉的合影(1960年)

　　(後排中間的高個子是謝有暢先生，前排右邊第一個是楊駿英女士)

 

　　1961年1月，謝先生結束下放勞動，回到beat365，再次回到物理化學教研室，開始承擔“物質結構”和“結晶化學”兩門課程的教學輔導工作，他一邊悉心輔導學生的學習，一邊在教學中努力提高自己的理論功底和能力。兩年後的1963年，謝先生從助教崗位走上了講台，開始主講“物質結構”。

　　1964年，全國開展“農村社會主義教育運動”，剛剛安頓下來的教學和科研工作再次被打斷。這年秋末，謝先生被派到湖北江陵縣灘橋區耀新公社同興大隊參加為期一年的社教活動，至1965年秋，回到beat365。

　　從1957年畢業到這時，謝先生有兩年的獨立教學經曆，分别講授“物理化學”和“物質結構”。教學相長，1965年返回學校後，謝先生再次投入到教學工作中，這期間又受到高教部委托，開始着手編寫“結構化學”教材。遺憾的是，僅僅幾個月後，1966年5月，文化大革命開始了，教材的編寫工作被迫停了下來。文革期間，批判“反動學術權威”，進行“革命大串聯”，學生上山下鄉等等，正常的教學和科研工作都處于停滞狀态。1969年冬天，謝先生又被派往江西到五七幹校進行勞動鍛煉。

　　在江西謝先生被分派到德安參加化肥廠的建設，做泥瓦工，每天和泥巴鏟刀打交道，參加住房和廠房的建築。他并不嫌棄做泥瓦匠，反而非常認真地跟着師傅學習各項技術，同時還琢磨各道工藝的原理，設計和發明一些輔助工具，不久之後，師傅們誇贊謝先生，說他的手藝已達到了泥瓦匠的最高級。廠房建造好後，謝先生又被派去浙江安吉化肥廠學習取經。藝多不壓身，謝有暢先生凡事喜歡專研的習慣讓這些看似平淡無趣的日子都變得有了意義，而這些看似沒有用處的技能很多年後在科研成果轉化工業開發的過程中都派上了用場，謝有暢先生親自設計并動手砌造工業窯爐，使工業開發過程少走了很多彎路，也啟發了後輩學子。

　　1971年冬謝有暢先生結束在五七幹校的勞動鍛煉，返回beat365。

 

　　

　　在江西德安做泥瓦匠時，在建設中的化肥廠前留影(1969年)

 

　　

　　在江西五七幹校期間，被派到浙江安吉化肥廠實習培訓時留影(1970年)

 

　　（四）

　　與自發單層分散原理最初的邂逅

　　到了1973年，謝有暢先生遇到了一個難得的機會，在唐有祺教授帶領下到北京化工研究院參加合作研究項目，開發聚乙烯高效催化劑。

　　當時的聚乙烯高效催化劑由TiCl4和MgCl2經振動研磨數小時後制得。其活性組分依舊是钛，但活性卻是之前工業用四氯化钛和三乙基鋁雙組份催化劑的數十倍。有人質疑這樣的高活性是否可靠，唐有祺教授經估算後回答說，如果活性組分單層分散在載體表面，這樣的高活性是有可能的。唐有祺教授的推測啟發了謝有暢先生，謝先生開始了關于這一問題的深入思考：前人的工作已表明，過渡金屬钛是催化活性中心，同樣钛含量的催化劑，活性卻高出數十倍，究其原因，很可能是催化劑中的每一個钛原子都發揮了催化作用，那就需要每一個钛原子都暴露在催化劑表面，即TiCl4在MgCl2表面以單分子層方式分散。

　　如果讓钛原子全部分散在載體表面，作為載體的MgCl2就需要有較大的表面積。有了這一思路，謝先生立刻動手做實驗，結果證實，當載體的表面積增大到足以使TiCl4覆滿表面一個單分子層，所有的钛原子均在催化劑表面後，再增加載體表面積，催化劑活性不再增加。這是一個非常重要的結果，初步證實了謝先生關于“TiCl4在MgCl2表面以單分子層方式分散”的大膽設想。

　　正所謂大膽假設，小心求證。

　　那一刻，仿若一顆火花在頭腦中迸發出絢爛的焰火，謝先生高屋建瓴，又大膽提出了進一步設想：

　　我們從研磨法高效催化劑的研究得到的“高效機理”，即活性組分在載體上基本上達到單分子層分散，而且幾乎每個過渡金屬原子都可起活性中心作用。我們不妨設想在其他載體型固相催化劑中，特别是以形成過渡金屬絡合物為特性的載體型催化劑中，可能也有不少是活性組分以單分子層分散，基本上每個活性組分原子都在起活性中心作用2。

　　這是“單層分散原理”最初的雛形，一個科學原理最初的萌芽。

　　畢業後一直處在颠沛坎坷中的謝有暢先生終于找到了前路的光亮，心中一直保有的科學探索精神讓他順着這最初的萌芽大膽地深入下去。

　　機遇永遠留給有準備的人。

　　不要讓機遇擦肩而過。發現一個高活性的催化劑在催化領域并不少見，謝先生能敏銳地抓住催化劑在活性上質的飛躍并意識到這其中蘊含完全不同的作用機理，是發現單層分散原理的關鍵。

 

　　（五）

　　乙烯氧氯化催化劑研制中的收獲

　　1974年，謝先生與一批教師和工農兵學員來到北京化工研究院，這裡剛剛引進了大型流化床裝置，雙方合作項目是研制适用于這一流化床裝置的乙烯氧氯化催化劑。

　　這是謝有暢先生第一次參與大型工業化規模裝置的實際運作，他勤于思考和認真細緻的工作風格為他積累了大量的實際工作經驗，為其後來工作的開展打下了非常好的基礎。

　　當時，科研團隊已研制出一種催化劑，催化活性比進口催化劑高很多。人們期望将這一催化劑應用到大型流化床裝置中，以獲得更大的效益。這一設想是否可行，綜合考慮的結果是先期進行中試。

　　中試的操作很複雜，研究團隊數十人輪流倒班進行流化床中試，付出了大量勞動，得到的結論卻并沒有很大的幫助，原因是中試的規模還不足夠大，可以對溫度、壓力、原料氣組成進行生産裝置模拟，但線速和空速不能模拟生産裝置。

　　面對繁雜的工作，大家全力付出卻沒有結果，謝先生心中那股自信和不服輸的勁頭又出來了。他開始借助書籍鑽研相關化工知識，初步掌握了工廠反應器、生産流程等基本問題和對催化劑的相應需求，同時借鑒國外專利資料，最後很自信地提出了解決方案。

　　當時謝有暢先生建議，應當減少或取消流化床中試，工作重點放在催化劑動力學性能小試和催化劑制備的中試放大上。謝先生認為，要改進目前的催化劑，使其活性和引進的催化劑相當，活性不應過高也不能過低。催化劑活性過高會産生過多反應熱使床溫過高，導緻副反應增大；活性過低則原料轉化率不夠3。

　　實踐證明謝先生提出的這條路線是正确的，研究團隊成功制得了活性适當的氧氯化催化劑，并在引進的流化床裝置中獲得了成功。

　　作為一名物理化學家，在解決乙烯氧氯化催化的流化床裝置問題期間，謝有暢先生沒有放過實驗中遇到的理論問題。這段在化工廠的工作經曆讓謝先生意識到，空速對催化反應動力學特征及催化反應機理有很大影響。針對這一問題，他設計出完整的實驗方案，并進行了系統的相關動力學研究，研究結果整理成論文後于1980年發表在《中國科學》上³。