10月8日，CCTV-2央视财经频道《中国经济大讲堂》节目播出《如何顺好工业这口“气”》。中国工程院院士、浙江大学工业技术转化研究院院长、浙大衢州“两院”院长任其龙作为主讲嘉宾，精彩解读了如何摆脱工业气体的“卡脖子”难题，顺好工业这口“气”。
任其龙，中国工程院院士，浙江大学教授。长期从事化工分离领域的应用基础研究和工程实践，针对现代工业对高纯化学品的重大需求，创建了分子辨识分离工程平台技术，在工业气体分离、精细化学品分离等领域取得了重要突破，解决了组分极复杂、分子极相似混合物的分离难题，建成了十余条高纯化学品先进制造生产线，引领了我国化工分离领域的高质量发展。
聚焦当前的行业热点，结合多年的科研实践，任其龙院士深入浅出地讲解了工业气体的种类、重要性及行业发展现状，重点讲述了空分技术与装备、电子特气及其制备、“黄金气体”氦气及提氦技术等内容。面对我国工业过程的“贫血”问题，如何快速摆脱工业气体的“卡脖子”难题，把国民经济的安全命脉牢牢掌握在自己手中？下面，请听任其龙院士层层递进、娓娓道来。
工业气体是指在工业生产中所使用的气体，可以作为生产原料、燃料、保护气、输送气、驱动气、换热介质等。工业气体的种类非常丰富，多达数百种，可以分为大宗气体、特种气体两大类。大宗气体是指用量大、使用范围广的气体，比如从空气中分离得到的氧气、氮气、氩气以及化学合成得到的氨气、乙烯、丙烯、乙炔。特种气体是指被应用在特定领域对纯度、品质、性能有特殊要求的气体。比如芯片制造过程中使用的各种高纯气体，以及在国防、医疗、食品等领域使用的特殊气体。由此可见，工业气体渗透到工业生产的各个环节，发挥了不可替代的作用，因而被称为工业的“血液”。
以半导体行业为例，在芯片制造中会用到光刻机，光刻是用特定波长的激光让光刻胶发生化学反应，通过曝光和显影将设计在掩膜版上的图形转移到硅片上的过程，其中关键的步骤就是关于如何产生特定波长的激光，在常用的深紫外DUV光刻机里是通过准分子激光器产生的，激光器内充填了97%的氖气。提到氖气大家或许比较陌生，其实氖气就存在于空气当中。一直以来，全球70%的氖气都由乌克兰供应。为什么大部分的氖气都由乌克兰提供呢？要回答好这个问题，先来了解一下空气分离。
空气分离简称空分，是利用化工分离技术将空气中的各个成分分离，从而获得各种气体产品。长期以来，世界上空分市场被四大气体公司垄断：德国的林德公司、法国的液化公司、美国的空气产品和普莱克斯。空分的原理并不复杂，难点在于空分的设备，尤其是大型、特大型的空分设备。大型空分装置的制造能力是衡量一个国家空分技术水平的重要标志。我国的空分产业是从50年代起步的，经过摸索、合作、自主研发等多个阶段，直到2000年前后，得益于钢铁、煤化工等产业的快速发展，我国大型、特大型空分成套技术与装备才有了质的飞跃。大型空分技术的进步也为我国氖气的自主生产创造了一个前提条件。目前中国在全球氖气市场的份额已经达到40%，超过乌克兰，有力保障了我国相关产业的健康发展。同时，空气中其他几种稀有气体也能被附带提取出来，包括贵如黄金的氪气、氙气等。
◎ 什么是电子特气？如何摘下电子特气这颗工业气体“皇冠上的明珠”？
半导体产业需要用到超110种气体。芯片的生产过程非常复杂，从生产多晶硅开始，要经过抛光、外延、扩散、成膜、沉积、刻蚀、掺杂、电镀、清洗、分装等环节，其中大部分的环节都离不开各种各样气体的参与，这样的气体统称为电子特气。据统计，电子特气占芯片制造材料成本的14%，是仅次于硅片的第二大耗材。按照所处的工序，电子特气可分为外延气、沉积气、刻蚀气、掺杂气等，每一类都包含很多品种。沉积气是以硅烷等含硅气体为主，硅烷分解后可以在晶圆表面形成需要的薄膜；刻蚀气常用的是含氟的气体，比如四氟化碳、八氟环丁烷，它的作用是对经过光刻的硅片进行雕刻得到特定结构的沟槽；掺杂气是含有砷、硼、磷等元素的气体，用于向硅片中掺入一些元素形成半导体器件。
讲到电子特气这个特，就特在纯净度要求非常高。纯度指的是主成分的含量越高越好，洁净度指的是杂质的残留量越低越好。对于90纳米制程纯度要求在5到6个N；同时，杂质要求小于10的负9次方，也就是十亿分之一，在更为先进的28纳米甚至7纳米5纳米制程中，电子特气的纯度要求更高，金属元素需要净化到万亿分之一。从28纳米到7纳米产品的金属杂质必须下降100倍，污染粒子的体积必须缩小到4倍以下，随着工艺制程发展到10纳米以下，生产过程对于洁净度的要求也会越来越严格。
如此苛刻的要求导致电子特气生产技术的门槛非常高，需要长期的积累和研发投入。生产过程需要运用大量精密仪器设备，这是第一道难关。第二道难关是资质壁垒，为保持气体供应的稳定，客户在与气体供应商建立合作关系以后，不能轻易地更换气体供应商，如果想进入就必须要经过严格的审查和认证，周期一般长达2-3年。由于发达国家电子信息产业起步早，在技术、资金、人才等方面有先发优势，我国不得不长期依赖进口。85%以上的市场份额被空气化工、林德、液化空气和大阳日酸等国外企业所垄断，尤其是超高纯特气更是几乎全部依赖进口。
在该背景下，我们必须尽快开发出关键电子特气的国产化技术化解卡脖子的风险，把国民经济的安全命脉牢牢地掌握在自己手中。从技术层面而言，国内电子气体行业还需要在以下几个方面加以突破。一是净化材料：气体终端净化器的核心材料如净化用的催化剂、吸附剂和膜材料等。二是新产品、新技术：电子气更新换代快，新产品的研发、混配技术跟不上国外公司的研发速度。比如国内已经解决三氟化氮和六氟化硫等电子气产品，目前在国际上已经逐渐淘汰。三是设备方面：与高纯气体接触的各种器材必须满足洁净的标准，生产中使用的容器、管道阀门等还需大量进口，亟需研究开发。四是检测技术方面：分析检测是品质保证的关键，部分纯度指标检测技术有一定基础，但在超痕微量杂质高精度分析检测技术以及一些专用的仪器方面与国外差距巨大。
我们团队也致力于电子特气的分离纯化工作，基于分子辨识分离的原理开发了含氟特气净化专用吸附剂，构筑了有序的亚纳米超微孔道的结构，能够专一性地将含氟特气中极其微量的杂质进行捕获，产品的纯度可以达到6个9，处理能力比现有的吸附剂提升了2倍，能耗比传统的精馏技术下降80%以上。除此以外，对于氙气、氪气等贵重的稀有气体，以及乙烯、乙炔等重要的化工大宗气体，我们团队也开发了性能优异的分离型材料，为了加快研发进度，我们还与龙头企业共建浙江省高端化学品技术创新中心，推进研究成果快速落地转化。
◎ 氦气是一种关系国家安全、高新技术产业发展的战略性气体，面对巨大的工业需求，我们该如何走出氦气储量和产量不足的困境？
氦是宇宙中含量第二高的元素，但在地球上的含量非常稀少，因此被视为一种极为珍贵的不可再生的资源。在航空航天领域，火箭发动机燃料和氧化剂的输送系统都需要氦气的密切参与。在核电领域，利用氦气导热系数高的特点可以作为最先进的气冷式核反应堆的冷却介质。在半导体的制程里，氦气可以用作清洗，它的高导热系数可以把设备的热气热量及时移走，提高设备的安全性。
其实氦气和氖气在空气中也有，但浓度还不到氖气的1/3，而且很难被液化，所以空分提氦非常不经济。天然气中氦的含量大约是空气的几十到上万倍，是我们目前氦气最主要的来源。美国是氦资源最丰富的国家，我国只占2%，我国天然气中氦的含量平均只有0.04%，是美国的1/20，所以提取技术难度更大成本也更高，我国氦气的对外依赖度长期在95%以上。
要想避免氦气被“卡脖子”，必须自力更生，自己生产氦气。由于美国氦气丰度高，目前主要采用深冷法从富含氦气的天然气中直接提取氦气。这样的工艺相对比较简单技术也较为成熟，是当前应用最为广泛的提氦方法。然而我国天然气的含量比较低，美国成熟的天然气提氦生产工艺并不适用，必须针对我国家天然气的特点开发新的生产技术。
天然气的成分复杂，大部分是甲烷，还有氮气、氢气、二氧化碳、水蒸气等，要想直接得到氦气就必须要将膜分离，常温的变压吸附，低温的吸附等新型分离技术和低温精馏技术耦合起来。膜分离的原理和过滤非常相似，利用不同分子的大小的差异让小的分子通过，大的分子截留，氦气作为最小的分子可以快速通过膜孔，而甲烷的分子比较大通不过这个膜孔，因此可以用膜分离对天然气中的氦进行初步提浓，可以把含量从0.1%以下提到26%。吸附分离的关键是吸附剂，提氦的吸附剂需要对其中的氮气、甲烷等杂质气体有比较强的吸附能力和脱除能力，才能够把氦气的含量提高到99%，甚至99.999%以上。另外还有一种相对比较经济的工艺路线是在生产液化天然气LNG的同时利用其副产的闪蒸气BOG来生产氦气。
最近几年，我国在提氦方面取得了可喜成绩，2020年国产首套BOG提氦装置在宁夏盐池成功示范运行，填补了国内空白。2021年在内蒙古万瑞建成中国最大的LNG联产提氦装置，年产能力达到50万方氦气。2022年在重庆建成以低温吸附为核心的LNG氦气提纯项目，可以年产5个9的氦气20吨以上。提氦装置的开发和投运有效地缓解了我国氦气供应的紧张局面，也部分缓和了国家战略气体资源的“卡脖子”问题。
面向未来，任其龙院士指出，工业气体要聚力实现新型工业化这个关键任务，聚焦高端化、智能化、绿色化水平，在关系安全发展的领域加快补短板、锻长板，提升产业体系自主可控的能力，推动产业创新向原始创新和创新引领的转变。我们不仅要顺好工业这口气，更要在踔厉奋发、勇毅前行的新时代的伟大征程中昂首自立、扬眉吐气。
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