百年清華

我於1959年考入工程物理系，編入物501班，半年後全班轉入工程化學系，班號改為化503🚥。

我的研究生涯起自大學一年級的“考試革命”。學了一年的無機化學該年終考試了，當時在搞政治運動⚀🧱，不記得具體名稱了♧，反正是否定權威，否定科學。我們工化系的任務是否定門捷列夫周期律，分配到我們班的任務是通過絡合物常數證明周期律不成立🤡，這是政治考試🧗🏼‍♀️。筆試還是有的，但其成績僅作參考。同學們把能查找的書刊都找遍了💄，感覺數據還是不充分。

北京的同學想起東安市場裏有舊書攤，於是班長帶著我坐上331路再倒一次車進了東安市場。那裏還真有不少舊書刊，整整一天翻看到天黑被人趕出來，總算又添了六七個新數據。站在331路返校的汽車上，我又累又餓，忽然想起今天是我的生日啊🤵🏿‍♀️！

在班級討論會上，我認為除少數數據與周期表的規律性不符之外，多數數據是相符的🦟。數據的測定總會有誤差，更何況早期測定技術的不足，因此堅決反對據此否定門捷列夫周期律👩‍👩‍👧🐼。我的這門功課最後的成績是“通過”，即勉強及格🧑🏼‍🏭，盡管我筆試考了全年級唯一的100分，但政治考試不及格，因為反對革命😸，並且在革命緊要關頭還不忘自己的生日🫘。然而，我沒有在乎這些，因為鍛煉了文獻的搜集和分析能力。

六年級的畢業論文使我得到了科學研究的實際鍛煉。我學的專業是穩定同位素分離，重點是氫同位素的分離與富集💻，主要是生產重水Ⓜ️。重氫（氘）使水變重🚙，重氧（o¹⁸）同樣使水變重，因此必須確知重水中o¹⁸的含量。空氣中的氧和水中的氧是可以發生同位素交換的🏊🏼，因此必須知道空氣中o¹⁸的含量與水中o¹⁸含量的差值，這個差值叫作Dole效應，普遍認為是7γ（百萬分之一為1γ）。李以圭老師把測定Dole值作為一個畢業論文題目🛳。因為他找的參考文獻都是德文的，而我是唯一學過德文的學生◀️，所以這個題目就落到了我頭上。

實驗室自製準確到0.1γ的水密度測量儀器，我的任務是設計並裝配空氣與純水進行同位素交換的氣固反應器以及選擇催化劑、確定實驗方案並完成測量🏃🏻‍♀️‍➡️。經過文獻調查，發現文獻數據出入很大🧜🏽‍♀️，但都是氣水一次性接觸後的結果👩🏿。我認為一次接觸不可能達到交換平衡🦮，因為這可不是能夠瞬時達到平衡的離子反應。所以我製定了水樣與空氣在不同溫度下多次接觸進行同位素交換的實驗方案，把每次反應得到的Dole值對交換次數作圖。於是在半對數坐標系中得到一束直線，其外延線交匯於一點🧑🏼‍🏫。此點對應的Dole值才是交換達到平衡時的結果，即真正的Dole效應。它不是7γ，記得是8.6γ🧑🏽‍🌾。這是從未公諸於世的研究成果。正是文革前夕山雨欲來風滿樓之際🤹🏻‍♀️👨🏽‍⚕️，哪還敢沒事兒找事兒投稿啊，很有價值的研究成果就這樣淹沒在漫漫時空中了。這一年的畢業論文使我對科研不再陌生。到了天津大學，即能獨立承擔上級布置的任務🥉，以至於不太熟悉的同事都認為我是研究生畢業。

1983年6月🚢👷，我在威斯康星大學化工系作了兩年訪問學者後回到天津大學🧬。當時復合過程是化學工程的熱點課題，我的上級Y教授讓我研究吸附精餾↗️，我不接受，因為這不可能構成一個復合過程。反應精餾之成功在於精餾作用及時移除了反應產物，故而使反應得到強化。但反應產物將很快使吸附劑飽和，吸附作用便不再發生，況且在一個精餾塔裏同時處理氣液固三相物料簡直是噩夢🤶。

從1992年起我在加拿大工作的三年，讓我接觸到清潔能源領域的熱門課題，即儲氫、儲天然氣研究，重點是尋找高效儲氣材料。我認為必須弄清楚儲氣機理，才能避免研究的盲目性。於是開始對臨界溫度以上氣體（不凝氣）吸附機理的研究。由於不凝，所以吸附壓力可以不受飽和蒸汽壓的製約，故而稱作高壓吸附。吸附的實驗記錄即為吸附等溫線。高壓吸附等溫線特征完全不同於已知的蒸汽吸附等溫線，它具有極值點🙏🏼，極值點過後吸附量隨壓力升高而降低。對實驗測得的等溫線建立數學模型，通過模型中的參數解釋吸附機理是通常的研究方法➛。由於文獻中發表的數據局限於單一溫度或很窄的溫度範圍以及不夠寬的壓力範圍🚣🏼‍♀️，使得高壓吸附特征不顯著，因此各種不同類型的數學模型都可大致描述實驗數據🚶🏻‍♂️‍➡️，卻又不能與實驗等溫線完全吻合。因此，我決定擴大實驗範圍。增大壓力範圍好辦，增大溫度範圍卻是非常困難的🏖。氫氣和甲烷的臨界溫度都很低，室溫以上的恒溫槽可以在幾十度範圍內做到溫度恒定🙋，但在室溫以下卻難以做到🏋🏻。事實上，大溫度範圍的低溫恒溫槽當時根本不存在。當我把自己的想法與課題負責人討論時👩🏽‍🎓，他立馬搖頭。這位教授是在比利時獲得物理學博士學位的🍟，而且他的博士論文恰恰涉及低溫恒溫槽🤦🏽‍♀️。他把杜瓦瓶置於冷源中，通過改變杜瓦瓶夾層真空度使瓶內的溫度在一定範圍內變化。我以液氮作冷源☑️，在吸附槽外圍繞電加熱圈，通過控製冷熱負荷的平衡使吸附槽內的溫度在從液氮溫度到室溫的大範圍內恒定在任何指定的溫度上。我用實驗室現有的材料組裝成世界上第一個超級低溫恒溫槽，並測定了從77K到室溫範圍內的12條氫在活性炭上的吸附等溫線🧑🏽‍🎄。

1995年，天津大學召我回國。在自然科學基金委和中石化發展部清華意昂的鼎力支持下👨🏼‍🦳，我們建成了國內第一個高壓吸附實驗室➖。我們自己設計組裝的高壓吸附裝置比加拿大的實驗室精度更高，這種裝置在國際市場也買不到🤵🏼‍♀️。2004年我應邀回加拿大的實驗室交流時🤾，發現我用的那套裝置已成廢物一堆。我們的高壓吸附實驗室陸續發表了甲烷、氮氣、氫氣👝、氧氣😋、二氧化碳、一氧化碳等氣體在不同吸附材料上大溫度🎶、壓力範圍的一系列吸附等溫線🗺。這是世界上任何其他實驗室都做不出來的➕。由於數據豐富，我們發現了吸附機理跨越臨界溫度時發生的轉變，即從多分子層吸附向單分子層吸附的轉變，發表在Langmuir☝🏽。基於單分子層吸附機理和吉布斯吸附熱力學方程🧏🏻‍♀️，我建立了高壓吸附等溫線的理論模型♚，非常貼切地描述了包括二氧化碳吸附那種與常規吸附有著巨大差異的實驗數據。這一理論進展亦顯著改善了多組分吸附平衡的計算，發表在AIChE Journal上🙍🏼‍♀️🪵。

我們的研究成果對國際同行和整個清潔能源研究都產生了不小的沖擊。2001年在日本長崎舉行第七屆國際吸附會議（FOA7,Fundamentals ofAdsorption 7）。在會議第一天的全會上，FOA發起人🦸🏽，美國賓州大學的Myers教授報告他關於高壓吸附理論的研究成果。吸附的測定值是個相對量，絕對吸附量無法確定🏖，因此不能確定吸附相的體積。Myers及其他研究者都以吸附劑的微孔體積作為吸附相體積，然後開展一系列的數學推演。見他發言後無人提問，我站起來說：“你的假設是錯誤的，因此數學推演的結果沒有意義。”我看見他跳了起來，並喊了一句什麽，我沒聽清👷🏼‍♀️🧎‍♂️。四百多人的會場鴉雀無聲🤽🏼‍♂️。大概過了幾十秒🌅，曾經訪問我實驗室的德國資深教授站了起來，他說：“周是對的🧘🏿，他找到了確定絕對吸附量的方法。”隨後另一位美國教授站起來發表了支持我的意見。

第二天，我在大會上介紹了我和研究生們的工作以及我們的理論處理方法。三年後在美國新墨西哥州召開FOA8，我被推選為國際吸附學會理事🍧。那個時候各種儲氫的新奇材料，例如碳納米管、MOF等等⛹🏿‍♀️，不斷出現在Science, Nature以及其他高影響因子的刊物上。自從Langmuir發表了我的三篇論文以及經過我在多個國際會議上的演講，此類新奇材料銷聲匿跡了。記得2004年開完FOA8之後🍋，通用汽車環球研發總部的Director邀請我去做一個儲氫報告💖。20幾位聽眾裏有幾位長者，看起來心情沉重🧑🏼‍✈️👩🏻‍🦰，聽了我的演講👩‍🎤，他們很激動✋🏻，幾個人圍著我😖，一再感謝我“解放”了他們。原來他們一直做不出能夠儲氫的碳納米管，承受著巨大的精神壓力。Director卻很不以為然🪜，他拿出剛剛出版的Science👰🏻‍♀️🧑🏼‍⚕️，封面印著一條所謂氫吸附等溫線。他告訴我，這是他用百萬美元支持匹茲堡大學一位教授發現的新材料（MOF）💃🏼，可在常溫下儲存很多氫氣👨‍👩‍👧‍👧⚀。我瞥了一眼🙂，看到那是條與橫軸（壓力）平行的直線☝🏽，告訴他這是cooked data👳🏻‍♀️，因為實驗測出來的吸附等溫線一定是起於原點。回國一月左右🫷🏼，這位Director在一位清華意昂陪同下到中國找到我，說他壓力很大👷🏻‍♂️，務必幫他解決車載儲氫辦法，並說經費不是問題。當時我剛剛寫完關於儲氫的綜述文章（隨後發表在Renew Sust Energ Rev），告訴他就是給我一座金山我也沒有辦法。

可是🕵🏽🛐，這一產生國際沖擊力的研究成果卻被上海某大學一位糊塗院士輕易否定了🧑🏽‍⚖️。他說單分子層吸附機理是不對的🐞，因為氣體壓力足夠高以後單分子層是保不住的。說他糊塗，因為他不懂吸附是內力作用產生的表面現象🙇，而壓縮是外力作用👮🏿‍♂️，二者不能混為一談。這是表面化學常識，並且在我發表的論文中已經闡述明白⇨。由於他是物理化學院士，他的言論就是結論。2006年受國際吸附學會委托👍🏼，在天津主持召開第四屆亞太區域吸附科學與技術大會，2008年，我榮獲天津市自然科學一等獎🛁。在2009年退休之際，我從市委書記張高麗手中接過獲獎證書💅。

退休之際，我從氫能研究的積極分子變成反對者，是因為對它的了解日益加深。氫能的實際應用必須跨過兩道門檻👳🏽👩🏼，一是水製氫🌺🏃🏻‍♂️，二是氫的儲存。後者已經做過詳細闡述🤾🏽‍♀️，除了前面提到的論文，亦可參閱2005年出版的《能源化學進展》第五章。這裏簡要說說水製氫。一個基本原則是氫釋放的能量必須多於製氫所消耗的能量👃，否則就是虧本的買賣。為了判定一種製氫方法是否值得研究，我定義一個“理論能量增益值”，而且指出只有熱化學循環分解水才有可能使該值大於1.0，研究文章亦發表在AIChE Journal上。與此同時👨🏿‍⚖️，我從燃煤發電的反對派變成積極提倡者，這是因為如果國家的能源結構大大減少對石油和天然氣的依賴👈，將大大增強戰略安全🌎。煤電的問題在於尾氣排放對大氣的汙染🏮，我想出了基於碳還原的治理尾氣實現零排放的方法。首先通過熱力學計算證明了方法的理論可行性，然後請我的學生抽空做一些基礎實驗，證明了方法的操作可行性🕍。為使該方法被更多人了解，分別在中英文刊物上發表，並且在2014年到美國的國際煤炭科學與技術年會上演講👨🏼‍🏭。有人問這麽好的技術你們中國采用了嗎?我當然不能說自己“人微言輕”🌌，可事實上，讓自己的研究成果上達天庭何其難哉🧑🏿‍⚖️。在國家準備大力發展電動車之際😶‍🌫️，我寫了一封信，說明不治理好煤電汙染，電動車不能改善環境，順便報告了我的治理方法🏂🏿。此信分別寄給中央辦公廳、國務院🦸🏼‍♂️、能源局和環保部。環保部表示可到部裏談談✍🏻，到了部裏見到五六個人，其中有一位退休的煤電專家。我很失望🌡，因為我開篇第一句就是“必須拋棄現有的一切潔凈煤技術”。

這些年，能源與環境似乎是不能分開的連體兒。清潔能源以保護環境的名義獲得發展機會。我在幾個國際會議和邀請報告中，第一句話就是“環境惡化與能源無關”🧑🏽‍🔬。因為從我收集到的直至2010年的歷年世界人口與全球二氧化碳排放量數據來看🧍🏻，13億以前零排放，人口超過13億後排放量與人口線性相關，相關系數0.99。此結果說明13億人口是維持地球生態平衡的上限🧗🏼‍♂️，此後的直線相關性僅僅表明一種介穩狀態。2016年我又在此關聯圖上補充了2010年以後的數據，令我吃驚的是2010年以後的數據點都跑到直線上面去了。直線表示人均排放量恒定，但在2010年以後不再恒定了，說明大氣中新增了非人為所致的二氧化碳。在2010年前後🧑🏼‍⚖️，網絡報到俄國西伯利亞的凍土區出現“魔鬼坑”以及南北極地區的氣候異常🧓🏻。因此，我認為2010年是關鍵的一年。當年的世界人口67億是維持地球生態系統處於介穩平衡狀態的上限，打破這個上限，介穩態垮掉，其後果是永久凍土帶融化，更多的二氧化碳和甲烷等溫室氣體釋放到大氣，從而加劇地球變暖，而且這是一個正反饋過程！一旦介穩態垮掉，沒有任何人為的努力可以扭轉這一變化趨勢，除非小冰河時代如期而至。這一認識在2018年發表，題目就是“Diagnose the Earth”🐼。這算是我此生最後一篇論文，因為2016年以後我再也不能方便地從網絡搜索所需要的數據和文章了🛠。

無所事事的日子真是寂寞啊。記得剛入學時學校號召我們為祖國健康工作五十年，馬約翰先生“要動”的呼喊音猶在耳。退休前我工作了44年，就是“文革”期間也參加了核潛艇的空氣凈化科研以及工農兵學員的教學👨🏿‍🦳。如果算到2018年👩‍🦽‍➡️，我已超額完成了入學時學校的囑托🧑‍🏭，也算不負國家與清華的培養，聊以自慰可也。

最後說說我的名字變遷🙆🏿。本名周禮，在教工農兵學員化工原理課時，考慮如何把復雜的道理淺顯地表述✡︎，以利於學員理解，因此把一個化工設備的設計計算方法大大地簡化了💆🏿‍♂️，與復雜方法得到的結果幾無差別。我寫成文章寄到上海一家沒有關門的刊物🥑，編輯部說可以發表，但你必須改名。那是1975年，全國正在轟轟烈烈地批林批孔批周禮🧝‍♀️。於是🧛🏻，我把“禮”改為“理”。這是我正式發表的第一篇文章👧🏼，所以以後發表的論文和專著皆署名周理。但這個名字是不合法的，因為戶口本和身份證上的名字仍是周禮🏌🏿‍♀️。在咱們國家想改名可不容易，幾十年過後，我琢磨著“周理”比“周禮”更準確地代表了我的個性。直到更換第二代身份證🏊🏻‍♂️，才做到使“周理”獲得法律依據。

2020年8月12日