“生产成本降低80%”“三废排放减少70%”“同类产品适用率达到60%以上”“商业营收提高近20%”……取得这一系列的成果，新型Zr(OH)4催化体系功不可没。

黄浦江畔，创潮迭起。不久前，中国国际大学生创新大赛（2024）总决赛在上海落下帷幕。在这场融通中外的国际创新盛会上，兰州大学化学化工学院2021级本科生马正兰作为负责人，在龙雨教授的指导下，带领“‘氮’刀直入，安‘甲’落户———新型Zr(OH)4催化剂的研发应用”项目团队荣获高教主赛道本科生创意组金奖，兰州大学也成为甘肃省在本届大赛高教主赛道中唯一获得金奖的高校。

秉持着“我敢闯，我会创”的精神，本次大赛融产业应用、科技创新、比赛促学为一体，综合展现出青年科研团队的创新能力。马正兰团队聚焦于催化剂领域，经历了上千个日日夜夜的努力后，终于研发出更加低碳环保、廉价易得的新型Zr(OH)4催化剂，可谓是化工企业的“福音”。

该催化剂的应用显著提升了同类产品的市场竞争力，进一步优化了精细企业的产品生产流程，不仅可以大幅提高胺类化学品的生产效率，更可有效减少资源消耗。

“我们会继续投身科技创新，对接催化剂领域的用户需求，助力我国化工行业绿色发展，为共筑绿色中国保驾护航。”团队成员陈明富表示。

学以致用：革故鼎新，安“甲”落户

N-甲基化作为一种普遍的甲基化修饰手段，广泛应用于药物合成、材料科学、农业化学和生物化学等多个领域。在选择甲基化试剂时，无毒且环保的甲醇因其独特的优势而备受业界青睐。

“但甲醇分子结构稳定，化学反应难以自发进行，因此需加入多相催化剂搭配催化反应的发生。”马正兰说。催化剂的作用在于降低化学反应发生前后相差的能量壁垒，其一般是通过底物发生化学作用后改变了反应途径从而降低活化能。“为积极响应国家相关政策，行业内部分企业已逐渐使用贵金属催化剂用于胺类产品N-甲基化工业生产中。然而，由于其价格过于高昂，导致企业在实施后经济效益未能达到最佳，故当前该催化剂在行业内尚未得到广泛的推广与应用。”马正兰介绍。

目前行业生产使用较多的催化剂大多存在负载材料价格高、催化反应效果差、适配底物种类少等问题。针对这些“苦企业已久”的问题，马正兰心里萌发出一个小小的念头：“或许可以尝试运用在课程上学到的化学原理和知识，设计出一种既经济又高效的催化剂，为解决行业痛点出一份力！”

基于“曼尼希”原理反应，马正兰创造性地提出使用改性Zr(OH)4作为多相催化剂用于N-甲基化反应，采用新材料、新工艺、新处理手段等多种策略来弥补传统催化剂的不足。

在材料方面，Zr(OH)4展现出绿色无毒、可循环利用以及成本低廉的显著特性，能够大幅度地降低生产成本，提高产品效率，并且不会对环境造成污染。在实际应用方面，合作企业年收入得到了显著的增长，对此陈明富表示深感自豪。

在工艺层面，“氧促进”战略构成本项目的关键创新之一。传统工艺依赖于“借氢还氢”策略，导致反应的活化能较高，反应条件苛刻。而本项目通过引入氧气，实现了甲醇的直接氧化生成甲醛，从而有效降低反应活化能，且反应条件更加温和。在谈及这一工艺创新时，陈明富同学语调振奋，表现出极大的热情。

在催化剂的处理手段上，项目成功开发出了以Zr(OH)4为基底材料的改性催化剂，有效调控了催化剂的酸碱及氧化能力，使其能够匹配数十种催化体系。“除医药外，大约有30%-40%的精细化工企业生产涉及N-甲基化反应，而我们也计划将现有产品进行进一步的底物拓展，催化剂改性等处理，并期待将其应用于更多胺类产品的工业化当中去，且目前行业的发展前景也是比较可观的。”马正兰介绍道。

在马正兰团队看来，数据只是反应成果价值的直观呈现。助力化工行业走向成熟、推动精细化产业发展、共建绿色中国……这些无法用书面数字表现的成果，才是项目更长远的价值所在。

团队成员正在进行实验|图源：兰州大学党委宣传部（融媒体中心）

实验创新：夜以继日，千锤百炼

“伟大事业都始于梦想、基于创新、成于实干。”自大一开始，马正兰就加入了龙雨教授的科研团队，进行科研训练。之后，她以校创项目为契机组建团队，投身于新型催化剂的实验和筛选。

团队吸纳了来自不同的学院的十四位同学，各骋所长、各司其职。“化学化工学院和萃英学院的同学负责研发，管理学院负责财务和营销，土木工程与力学学院负责后期建厂。”负责人马正兰介绍，出于项目长期价值的考虑，团队成立初期就有意识地吸纳其它学院的专业人才，量才使用，适才所用。

创新实践远比了解一个化学原理要难得多。“在实验过程中，我们遇到过很多难题，比如催化剂失活、底物的酸碱性、剂量的不确定性等。”回想起一次次失败的经历，马正兰表示，“每种选定的催化剂都需要经过上百次的实验，空气、温度和压力的一点点变化都会影响整个实验结果。”

催化剂的目的是为了提高反应物的化学反应速率，同时不破坏化学平衡和自身特性。“但测试反应的时间还是比较长的，少则六个小时，多则十二至十八小时。”马正兰说道，“为了合理用时间，我们通常前夜晚架反应，第二天收集数据。”

组会是总结复盘的关键阶段，“每周的例会上，我们都会汇报本周内容以及下周计划。”马正兰认为，清晰的工作计划不仅确保所有团队成员对项目有一致的理解，也让大家从繁杂的事务中理清头绪，更有信心长期坚持下去。

好的成果需要团队成员齐心协力，但也离不开老师的谆谆教诲。马正兰回忆起曾经的一份产品安全检测报告，那份报告的费用高达几万元。然而，她的导师龙老师从未对此有过丝毫犹豫，总是毫不犹豫地支持团队的工作。提起龙老师，马正兰心中充满了感激之情：“龙雨老师的指导是全方位的，不仅仅局限于学术领域，更是在技术、资金、原料、场地、工厂等各个方面给予了团队极大的支持和帮助。”正是因为有了龙雨老师的悉心指导和辛勤付出，团队才能在各种困难面前迎难而上，最终取得令人瞩目的成果。

“我们的导师龙雨教授常说，催化剂不只是技术，人也至关重要。只有工厂认可，你的技术才有机会得到推广和应用。”马正兰说，团队成员一直往返于工厂和实验室之间，以实际问题为导向，不断进行工艺技术和材料产品的更新换代。

历时三年，通过800余次试验，筛选近百种催化剂原料，团队最终确定以Zr(OH)4作为基底，并完成了改性设计。从榆中到城关的170多张车票见证了马正兰的热爱与恒心，“每天早出晚归，科研生活虽然忙碌，但与实验室的仪器为伴，充实且充满动力。”

目前，本项目已成功发表相关高水平论文5篇，申请实用发明型专利9项，与三家公司签订合作方案，有着广阔的应用前景。“在交付我们的产品后，企业的商业营收有显著提升，有望带动就业潜力。”谈及项目的初期成果时，陈明富如是说道。

“千锤百炼还坚劲，百折不挠终成才。”在所有团队成员眼中，实验室从来不是冷板凳，怀着火热的耐心和深沉的豪情，稳扎稳打，久久为功，终会抵达科学的彼岸。

团队成员和指导老师共同讨论将氢氧化锆用XRD设备进行产品表征|图源：兰州大学党委宣传部（融媒体中心）

赛场角逐：厚积薄发，一鸣惊人

“摸着石头过河”“运气占一半”“出乎意料”……这是马正兰和陈明富两位同学对于比赛的一致感受。

中国国际大学生创新大赛（2024）历经半年，从五月份开始，到十月份结束，采用校级初赛、省级复赛、总决赛三级赛制。“今年项目已经结项，我们抱着试一试的心态去报名参加比赛。”马正兰回忆道，“初赛和复赛的名次都不是很靠前，直到站上总决赛的颁奖台，内心的激动与自豪简直无法用语言表达。”

不打无准备之仗，每战都应力求有准备。“我们从三月份就开始准备网评的项目资料，经过层层筛选，才走到总决赛的舞台。”马正兰说，这是一场持久战。

实打实的项目成果是优异成绩的保障，没有前期的沉淀和积累，就没有由量到质的飞跃。该项目既创意十足又应用广阔，“氧促进策略、重复利用、无毒绿色……评委们对我们的工艺创新和产业效用特别感兴趣。”国赛答辩学生代表之一陈明富解释道。

科学研究从来不是拴好门锁的自娱自乐，创新成果也不提倡与社会脱节而束之高阁。面对几十位来自各行各业的评委，如何在十分钟内将三年的成果娓娓道来，陈明富想说，“深入浅出、言简意赅的语言组织和表达能力十分重要。”

“国赛那几天，我们每晚就睡几个小时，一直在修改PPT。”马正兰作为答辩问答环节的主力，每天晚上都会加班，反复推敲方案，试图将每个细节做到尽善尽美。

答辩台上，两位同学侃侃而谈，配合默契；赛场之下，师生齐心协力，共渡难关。“校团委的汤卫国老师作为随行指导，一直陪我们背稿子到凌晨。”马正兰、陈明富二人对汤老师的耐心细致深表感谢。

这个金奖的获得不仅是对他们团队多年研究和努力的肯定，同时也是他们未来科研道路上追求创新与卓越的鞭策和激励。青涩的理想总是需要不断磨砺才能更好地开花结果，未来的旅途上，相信他们满怀的热情与决心，也会驱使他们在未知的海洋中不断探索。

部分团队成员合照|图源：兰州大学党委宣传部（融媒体中心）

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内容来源｜党委宣传部（融媒体中心）

兰州大学报1123期

文字 | 陈 曼  周雪娇

编辑、校对｜白怡欣

责编｜李晖

审核｜张北辰 肖坤 李晖