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何鳴元院士詳解:等級(jí)孔材料與綠色碳科學(xué)

來源:科學(xué)網(wǎng)   陳麗華   2020-11-05
導(dǎo)讀:自然界中等級(jí)特性隨處可見,如葉脈的傳輸系統(tǒng)、人類的呼吸系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)等。通過模仿自然系統(tǒng),在不同維度上構(gòu)建等級(jí)孔道結(jié)構(gòu),可以使其滿足不同功能的需要。在過去的十年里,人們對(duì)等級(jí)孔材料的合成和應(yīng)用進(jìn)行了大量研究,促進(jìn)了這一研究領(lǐng)域的快速發(fā)展,引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界極大的興趣。中國在這一領(lǐng)域的研究處于國際前沿,而華東師范大學(xué)的何鳴元教授正是這項(xiàng)研究的學(xué)術(shù)帶頭人之一。

作者 | 陳麗華(武漢理工大學(xué)研究員)

翻譯 | 張冰姿(NSR科學(xué)編輯)

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何鳴元 院士

何鳴元教授1995年當(dāng)選中國科學(xué)院院士,2001年獲得何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng),2012年獲得“中國催化成就獎(jiǎng)”,2019年獲得“中國分子篩終身成就獎(jiǎng)”。他的主要研究方向是新型催化材料和煉油催化劑及工藝。他是中國綠色化學(xué)領(lǐng)域的開拓者,積極推動(dòng)著綠色化學(xué)化工的發(fā)展。

最近,《國家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review,NSR)就等級(jí)孔材料的最新進(jìn)展和未來發(fā)展前景等問題采訪了何鳴元院士。本次專訪恰逢何院士80歲生日,謹(jǐn)以此文獻(xiàn)上祝福,并致敬他在催化科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域諸多方面做出的突出貢獻(xiàn)。

【等級(jí)孔材料是什么?】

NSR:在我們周圍的環(huán)境中,等級(jí)結(jié)構(gòu)無處不在,例如生物系統(tǒng)中從簡單的單細(xì)胞生物到更加復(fù)雜的人體。您能談?wù)劦燃?jí)孔的定義嗎?什么是等級(jí)孔材料?

何鳴元:

從廣義上講,多重孔道材料是指包含兩種或兩種以上孔徑分布的孔結(jié)構(gòu)材料,不論這兩個(gè)(或多個(gè))不同的孔道是否(或如何)相互連通。

只有當(dāng)整個(gè)孔道系統(tǒng)呈現(xiàn)出排列良好的多孔結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)了物質(zhì)傳遞時(shí),包含兩種或兩種以上孔道結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)才能被定義為等級(jí)孔系統(tǒng)。因此,需要注意明確區(qū)分“等級(jí)孔材料”和含義更寬泛的“多重孔道材料”。

2017年3月,我和蘇寶連、謝在庫兩位教授在北京共同主持了第590次香山科學(xué)會(huì)議。在這次會(huì)議上,等級(jí)孔材料被定義為一類具有特殊多孔結(jié)構(gòu)的材料,其多孔結(jié)構(gòu)是由不同尺度上相互連通的孔組成,包括微孔(50 nm)。

在等級(jí)孔材料中,微孔為客體分子提供了擇形效應(yīng)(只有大小和形狀與孔道相匹配的客體分子才能進(jìn)出微孔),介孔增加了微孔的可及性,大孔為客體分子提供了暢通無阻的傳輸路徑。這種孔道結(jié)構(gòu)的等級(jí)性對(duì)于大分子的擴(kuò)散或在粘稠系統(tǒng)中的擴(kuò)散特別重要。

簡而言之,等級(jí)孔材料的孔道結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含層次性、貫通性和規(guī)律性的特征。

NSR:從生物技術(shù)、生物醫(yī)藥、催化、能源、光學(xué)、分離到生物分子固定化和生物有機(jī)體等多個(gè)研究領(lǐng)域都對(duì)等級(jí)孔材料產(chǎn)生了濃厚的興趣。您認(rèn)為目前等級(jí)孔材料研究中最重要的問題有哪些?

何鳴元:

我認(rèn)為首要的問題是通過開發(fā)新的合成策略,來滿足今后等級(jí)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)合成和不同層次孔道貫通性精細(xì)調(diào)控的需求。

一般來說,等級(jí)孔材料都具有大的表面積,能夠?yàn)榉磻?yīng)物(或產(chǎn)物)吸附(或脫附)其框架內(nèi)的活性位點(diǎn)提供高效的物質(zhì)傳遞。然而,很多等級(jí)孔材料中包含無序的孔道網(wǎng)絡(luò)。與具有單一微孔結(jié)構(gòu)的材料相比,這種無序性會(huì)影響催化活性位點(diǎn)的性質(zhì),如酸強(qiáng)度/密度和表面疏水性等。

另一個(gè)重要問題是如何開發(fā)新的合成策略來實(shí)現(xiàn)等級(jí)孔材料的大規(guī)模生產(chǎn)。

目前,合成的等級(jí)孔材料大多是粉末狀的,這意味著它們不能直接應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)?,F(xiàn)階段,合成方法的局限性阻礙了等級(jí)孔材料的大規(guī)模生產(chǎn),這嚴(yán)重制約了它的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。

【綠色碳科學(xué)的前世今生】

NSR:作為綠色碳科學(xué)研究的先行者,您能概述一下綠色碳科學(xué)的內(nèi)涵嗎?

何鳴元:

綠色碳科學(xué)這個(gè)概念最早是由孫予罕教授、韓布興教授和我本人共同提出的,在2010年第15屆全國催化學(xué)術(shù)會(huì)議上以大會(huì)報(bào)告的形式展現(xiàn),并在一篇學(xué)術(shù)論文中進(jìn)行了總結(jié)(Angew Chem Int Ed2013; 52: 9620-9630)。

碳是生命、社會(huì)和工業(yè)的關(guān)鍵元素。碳能源對(duì)人類社會(huì)可預(yù)見的未來極為重要,對(duì)我國的能源戰(zhàn)略也尤為重要。

我們應(yīng)當(dāng)意識(shí)到,適當(dāng)存在的二氧化碳和溫室效應(yīng)對(duì)地球上的生命是必要的。因此,平衡和再循環(huán)是關(guān)于二氧化碳和溫室效應(yīng)的關(guān)鍵因素。碳、氫、氧是構(gòu)成碳能源的三大化學(xué)元素。碳能利用和碳平衡的實(shí)現(xiàn)是基于氧化還原的化學(xué)原理。

因此,作為一種自然規(guī)律,等級(jí)性是碳能源的一個(gè)特征。在氫、碳、氧的三元化學(xué)組成中,如果以碳能量為衡量標(biāo)準(zhǔn),可以將不同的碳資源從碳?xì)浠衔锏教佳趸衔锱帕袨椋禾烊粴?、石油、煤炭、生物質(zhì)和二氧化碳。

綠色可持續(xù)化學(xué)已被證明在解決世界能源的三元制約難題(可持續(xù)發(fā)展—能源—環(huán)境)中發(fā)揮著創(chuàng)造性的作用。如果我們用“碳能源”取代“能源”,用“二氧化碳”取代“環(huán)境”, 那么就產(chǎn)生了一個(gè)全新的概念——“綠色碳科學(xué)”,它將更精準(zhǔn)地關(guān)注“可持續(xù)發(fā)展—碳能源—二氧化碳”這個(gè)三元制約難題。

可持續(xù)發(fā)展是人類社會(huì)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。提高碳資源利用和碳循環(huán)的效率,能幫助我們應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。高效轉(zhuǎn)化和利用化石能源、生物質(zhì)和二氧化碳,同時(shí)盡量減少能耗和二氧化碳排放,都是至關(guān)重要的。

因此,綠色碳科學(xué)旨在通過研究和優(yōu)化含碳化合物的轉(zhuǎn)化以及與其相關(guān)的整個(gè)碳循環(huán)過程,包括碳資源加工、碳能利用、二氧化碳固定和碳循環(huán),及其間碳化學(xué)鍵的演變等,來實(shí)現(xiàn)碳資源的高效利用和二氧化碳凈排放的最小化。

此外,要實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,化學(xué)上可行和有效的措施是高效利用有限的化石能源,并開發(fā)大規(guī)模將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料和高附加值化學(xué)品的生產(chǎn)工藝。

NSR:在綠色碳科學(xué)領(lǐng)域,您最喜歡的研究課題是什么?

何鳴元:

人們普遍認(rèn)為,太陽能是人類的終極能源。我對(duì)綠色碳科學(xué)在太陽能利用中能發(fā)揮多大作用非常感興趣。綠色碳科學(xué)中的一個(gè)重要課題是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

碳資源的高效利用、碳減排和碳循環(huán)已經(jīng)成為戰(zhàn)略研究的重點(diǎn)和社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)?;茉吹募庸だ煤蜕镔|(zhì)轉(zhuǎn)化已經(jīng)得到廣泛研究。

目前,我們使用的燃料和能量大多來自不可再生的化石資源。人類的一個(gè)重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,生物質(zhì)則是一種儲(chǔ)量豐富的可再生碳資源,開發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化將會(huì)是解決這一問題的有效途徑。

NSR:綠色碳科學(xué)領(lǐng)域目前面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些?

何鳴元:

目前,很多生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的途徑雖然在技術(shù)上是可行的,但非常不經(jīng)濟(jì),需要進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝,以實(shí)現(xiàn)高效、低能耗的大規(guī)模生產(chǎn)。

此外,生物質(zhì)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)新的化學(xué)品提供了巨大的機(jī)會(huì)。我們應(yīng)該致力于設(shè)計(jì)新的合成策略,在盡可能保持原料化學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,制備具有所需性質(zhì)的產(chǎn)物。這樣,我們才能低能耗地生產(chǎn)所需要的產(chǎn)物。

目前,很多新的有價(jià)值的產(chǎn)物無法由化石資源來制備,預(yù)計(jì)將來有可能由生物質(zhì)來制備。

【等級(jí)孔材料與綠色碳科學(xué)】

NSR:等級(jí)孔材料對(duì)推動(dòng)綠色碳科學(xué)的發(fā)展是否有重要的意義?

何鳴元:

是的,等級(jí)孔材料在綠色碳科學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮了非常重要的作用。剛才提到,當(dāng)前人類使用的燃料和能量大多來自化石能源。而且,在可預(yù)見的未來,化石能源仍將是人類最主要的能量來源。

高效利用有限的石油資源尤其重要,因?yàn)槲覀兡壳斑€沒有可替代的資源和技術(shù)來提供人類所需的如此大量的液態(tài)輸送的燃料。

因此,設(shè)計(jì)等級(jí)孔催化材料來減少工業(yè)條件下焦炭和二氧化碳的生成非常關(guān)鍵。

另外,等級(jí)孔材料在很多生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中也發(fā)揮著重要的作用。生物質(zhì)能夠提供大量可再生的碳。將生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的燃料和化學(xué)品是一項(xiàng)長期的任務(wù)。

通常,生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程涉及到將龐大的生物大分子分解成小的基礎(chǔ)分子,再對(duì)這些小分子進(jìn)行進(jìn)一步加工,最終生成高附加值的產(chǎn)物。

利用等級(jí)孔材料能夠加速物質(zhì)的擴(kuò)散,并使它們更容易接近反應(yīng)活性位點(diǎn),從而幫助促進(jìn)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。通過在不同尺度上對(duì)材料的孔隙率和結(jié)構(gòu)進(jìn)行等級(jí)構(gòu)建,就可能制備出綠色碳科學(xué)所需的各種功能的材料。

NSR:雖然等級(jí)孔材料的制備取得了很大的進(jìn)展,但可以說,設(shè)計(jì)和合成用于特定應(yīng)用的等級(jí)孔結(jié)構(gòu)并非易事。您對(duì)等級(jí)孔材料的設(shè)計(jì)理念有什么建議或展望嗎?

何鳴元:

目前,我們?nèi)栽谧裱囼?yàn)-測試-優(yōu)化-再測試的過程,來獲得優(yōu)化的但并非最好的目標(biāo)材料。這是由于我們對(duì)先進(jìn)材料設(shè)計(jì)的原理、規(guī)則和理論缺乏理解造成的。

“定向設(shè)計(jì)材料性能”的概念對(duì)該領(lǐng)域今后的發(fā)展很有吸引力。我們能不能建立一套材料設(shè)計(jì)的理論來實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的和優(yōu)化的功能?

我認(rèn)為,我們也許可以從大自然提供的具體例子中獲取很多重要的啟示。這些啟示能幫助我們確定材料設(shè)計(jì)所要遵循和模仿的規(guī)則。

許多種類的生物都具有效率極高、能耗最低的等級(jí)孔網(wǎng)絡(luò),例如植物的莖和葉脈、動(dòng)物的血管和呼吸系統(tǒng)等。

這些有生命的等級(jí)孔網(wǎng)絡(luò)在有限的體積內(nèi)連通,可以最大限度地降低物質(zhì)到達(dá)所有孔的傳輸阻力,并確保整個(gè)等級(jí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的暢通傳輸,這也是生物體得以生存的前提。

近期,利用廣義默里定律,蘇寶連教授團(tuán)隊(duì)首次制備出了模仿天然血管結(jié)構(gòu)的系列仿生材料。這類材料的孔徑在多個(gè)尺度上逐漸減小,最終終止于一個(gè)尺寸不變的單元,類似于植物莖、葉脈、血管和呼吸系統(tǒng)的等級(jí)結(jié)構(gòu)。

這些仿生材料具有等級(jí)化的分支,在液-固、氣-固和電化學(xué)反應(yīng)中大大促進(jìn)了物質(zhì)的交換和傳遞。這是首個(gè)定量材料設(shè)計(jì)的例子,通過精確控制直徑比來連接從大孔到微孔等不同尺度上的孔道結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)工作開創(chuàng)性地展示了同時(shí)對(duì)不同尺度進(jìn)行優(yōu)化的材料制備過程。這個(gè)過程所遵循的設(shè)計(jì)原理借鑒了天然的等級(jí)系統(tǒng),使得可預(yù)測地控制材料的性能成為可能。采用這種方法來構(gòu)建其他具有相互貫通孔道結(jié)構(gòu)的等級(jí)網(wǎng)絡(luò)也是非??扇〉?。

我很高興地看到,工業(yè)界也在這一領(lǐng)域投入了大量努力。例如,由謝在庫教授和楊為民教授領(lǐng)銜的中國石化上海石油化工研究院(Sinopec)從工業(yè)應(yīng)用的角度對(duì)這一領(lǐng)域作出了相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。

等級(jí)材料的概念也已經(jīng)應(yīng)用到金屬有機(jī)框架和纖維領(lǐng)域。我希望National Science Review即將出版的《等級(jí)孔材料》專題能夠吸引更多對(duì)這一研究領(lǐng)域的關(guān)注,從而推動(dòng)這一領(lǐng)域從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的發(fā)展。

【給年輕研究者的建議】

NSR:您對(duì)剛剛進(jìn)入等級(jí)孔材料研究領(lǐng)域的年輕研究者有什么建議嗎?

何鳴元:

多年來,人們對(duì)等級(jí)孔材料進(jìn)行了廣泛的研究,并取得了很多成果。年輕的研究者在進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域之前,應(yīng)該仔細(xì)考慮自己能做些什么。

我建議他們可以根據(jù)自己的背景和興趣,選擇正在出現(xiàn)或尚未解決的挑戰(zhàn)作為研究的重點(diǎn)。他們可能需要將等級(jí)孔材料和其他一些概念如空間限域、擇形效應(yīng)和分子識(shí)別等結(jié)合起來。

新的想法往往來自于已知的科學(xué)知識(shí)和未知的科學(xué)問題之間的接合處。新的發(fā)現(xiàn)和概念往往存在于與預(yù)期不符的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中。年輕的研究者應(yīng)該永遠(yuǎn)保持好奇心,研究他們真正感興趣的東西。

相關(guān)論文信息:

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa131


參考資料

【1】微信公眾號(hào)“科學(xué)網(wǎng)”(ID:sciencenet-cas),何鳴元院士詳解:等級(jí)孔材料與綠色碳科學(xué),https://mp.weixin.qq.com/s/S0ctjzJfT45p5j1uLn0wDg

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