□ 杜月嬌

陳晨

人類科技文明迅速發(fā)展，新型材料的制備和應(yīng)用逐漸成為產(chǎn)業(yè)升級的重要支撐。在這一背景下，納米材料騰空出世，并成為如今科研界炙手可熱的研究對象。

到底納米材料有何獨(dú)特之處？事實上，盡管納米材料與普通的常規(guī)材料一樣由同樣的原子組成，但這些原子的排列方式變了，納米級的結(jié)構(gòu)單元組成這類新材料。材料到了納米級后，結(jié)構(gòu)的理化性能就會發(fā)生根本性的質(zhì)變，造就和引發(fā)體相材料所不具備的奇異功能和反常特性，成為新一代功能材料。近些年來，納米材料在力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和化學(xué)活性等方面的誘人特性，使其在國防、電子、冶金、航空等領(lǐng)域產(chǎn)生了極大應(yīng)用。

隨著納米材料的發(fā)展，將其應(yīng)用于催化領(lǐng)域的研究和實踐也得到改善和發(fā)展，納米催化劑也成為了推動化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重要科研領(lǐng)域，與許多工業(yè)門類的發(fā)展息息相關(guān)。加強(qiáng)納米催化劑的基礎(chǔ)研究，不但對提高我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平具有重要作用，并且對于推動我國實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展，走上可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

人們知道物質(zhì)的轉(zhuǎn)變是可能的，但有時卻是極其緩慢的。在西方古時煉金術(shù)的傳說中，“賢者之石”是萬物的催化劑，是至純的絕對物質(zhì)，能夠很快將非貴金屬變成貴金屬（例如黃金）。催化劑就是化學(xué)領(lǐng)域的“賢者之石”，通過對催化劑進(jìn)行納米乃至原子尺度的調(diào)控，可以發(fā)現(xiàn)催化材料特殊的性質(zhì)，甚至能夠催化一些以往難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。在納米催化材料的設(shè)計合成和應(yīng)用研究中，他就像一位尋找“賢者之石”的魔法師，不斷探索前行，用科學(xué)的力量揭開這一研究領(lǐng)域的神秘面紗。

打破未知，走進(jìn)納米材料世界

中學(xué)時代陳晨對納米技術(shù)的理解，大多來自網(wǎng)絡(luò)的科普。雖然，那時候的他對這一領(lǐng)域研究的認(rèn)識并不是特別深刻，但是他卻在科技進(jìn)步大潮中，意識到了納米技術(shù)在未來科研界的發(fā)展前景，并決心投身這一領(lǐng)域，展開更加深入的學(xué)習(xí)。

2002年，陳晨順利考入北京理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)（納米技術(shù)方向）。在這一階段，陳晨感受到國內(nèi)科研界在納米科技領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)撃?，特別是白春禮、李亞棟等科研學(xué)者，在納米科技領(lǐng)域做出了許多優(yōu)秀的科研成果，在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了廣泛的科研影響，為我國這一領(lǐng)域發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。以他們?yōu)榘駱?，陳晨在大學(xué)四年的時間里，不斷汲取相關(guān)專業(yè)營養(yǎng)，并堅定了自己內(nèi)心科研方向的選擇。

2006年—2011年，陳晨順利進(jìn)入清華大學(xué)化學(xué)系，進(jìn)行碩博連讀。在這期間，他還于2010年—2011年前往美國加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)系進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)。這一階段，他將主要研究方向放在納米材料以及無機(jī)材料的設(shè)計、合成領(lǐng)域中，并開展下游應(yīng)用，在不斷前行中積累了豐富的經(jīng)驗。

科學(xué)研究要將視野放眼于全世界。為了學(xué)習(xí)到這一領(lǐng)域更加先進(jìn)的科研技術(shù)，博士畢業(yè)后的陳晨決心繼續(xù)漂洋過海前往國外進(jìn)行深入的科學(xué)研究工作。2011年，陳晨回到了美國勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學(xué)部，在這里展開了為時3年的博士后研究工作。多年在外的研究工作，讓陳晨深切感受到了國外濃厚的科研氛圍以及深厚的科研文化，特別是在納米催化材料相關(guān)機(jī)理的認(rèn)識上，那時國外的科研學(xué)者要比國內(nèi)的研究得更加深刻。這些都對陳晨產(chǎn)生了潛移默化的影響，并讓其深刻體味到了在科學(xué)研究中開展深入探索的必要性。

立足現(xiàn)狀，展開環(huán)境催化材料探索

科學(xué)研究要在祖國的大地上落地生根。雖然多年在國外從事科研工作，但陳晨一直心系我國的科研事業(yè)。在國外從事科學(xué)研究期間，他就曾閱讀過許多國內(nèi)優(yōu)秀科研工作者的相關(guān)文章，并深刻感受到了國內(nèi)科研水平的飛躍進(jìn)步。在這一背景下，他回國從事科研工作的決心也愈加堅定了。2015年，陳晨順利回到了清華大學(xué)化學(xué)系，并擔(dān)任副教授，依靠清華大學(xué)的研究平臺在納米催化材料的設(shè)計合成和應(yīng)用研究中展開了進(jìn)一步的科研探索。

一直以來，陳晨所做的研究工作都是立足于祖國社會所面臨的各類問題所展開的?，F(xiàn)如今，環(huán)境問題成為困擾我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題之一。特別是在碳排放方面，全球化石燃料產(chǎn)生的CO2排放量一直居高不下，其中僅不足一半的CO2能被海洋和陸地吸收，剩余一半則進(jìn)入大氣。隨著大氣中CO2總量的不斷增加，溫室效應(yīng)引起的氣候變化、海平面上升和空氣污染等問題日益凸顯。我國屬于碳排放大國，CO2的排放問題也使我國面臨嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，為保持經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，必須采取有效措施降低CO2的排放。

“現(xiàn)如今，霧霾問題是我國環(huán)境問題中的最大隱患，在交通領(lǐng)域，新能源的電動車所用的電大多都是火力發(fā)電，主要依靠化石能源的燃燒，這些都在無形中給我國的環(huán)境造成危害。”陳晨說。在這一背景下，他們試圖開展新型燃料電池的相關(guān)研究工作，這一新型燃料電池的優(yōu)勢在于：其消耗的是氫氣和氧氣，最后產(chǎn)生水，在提供電力的前提下又杜絕了污染。除此之外，在火力發(fā)電產(chǎn)生二氧化碳這一方向研究中，陳晨團(tuán)隊致力于將產(chǎn)生的二氧化碳轉(zhuǎn)化成一些其他更高附加值化學(xué)品，如太陽能、風(fēng)能等產(chǎn)生的電能通過電化學(xué)還原的方法，將CO2轉(zhuǎn)化為一氧化碳、烯烴、醇類等，不僅能有效緩解CO2氣體排放帶來的影響，還能將可再生資源產(chǎn)生的間歇性電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)能，便于能量的儲存與運(yùn)輸，有利于新能源領(lǐng)域的健康發(fā)展。在保護(hù)環(huán)境的同時還能實現(xiàn)資源的有效利用。

陳晨深知：生態(tài)環(huán)境保護(hù)是功在當(dāng)代、利在千秋的事業(yè)。在自己所在的科研方向上做出貢獻(xiàn)，陳晨從未停止過奔跑。在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，他還于2018年順利申請了國家自然科學(xué)基金面上項目“CO2電催化還原反應(yīng)中的催化劑表界面精細(xì)原子調(diào)控”，在這一方向中展開了深入探索。

CO2電化學(xué)還原反應(yīng)（CO2RR）是一種有效的CO2轉(zhuǎn)化途徑，有助于解決當(dāng)下環(huán)境和能源問題，具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)價值。在電化學(xué)還原過程中，CO2分子在催化材料表界面的吸附、活化和脫附，是影響其性能的關(guān)鍵因素。對催化劑表界面進(jìn)行原子級精細(xì)調(diào)控，理性設(shè)計并制備出高效的CO2RR催化劑是這一項目研究的重點。在這一項目中，陳晨團(tuán)隊將圍繞水體系CO2RR的活性和選擇性問題，以金屬和金屬/氧化物納米材料為研究對象，選擇表界面精細(xì)原子調(diào)控為材料制備的突破點，通過設(shè)計和精準(zhǔn)合成，構(gòu)建特定催化表界面，開展CO2RR催化性能研究，并結(jié)合原位表征和理論計算進(jìn)行反應(yīng)機(jī)理研究，推動高效CO2RR納米催化劑的發(fā)展和應(yīng)用。

創(chuàng)新不倦，開展納米催化劑的設(shè)計調(diào)控

現(xiàn)代石油、化學(xué)品以及食品等生產(chǎn)過程有85%以上通過催化實現(xiàn)。21世紀(jì)以來，已有4次諾貝爾化學(xué)獎（2001年、2005年、2007年、2010年）授予了在催化領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家?！叭藗兺ǔ７Q催化為‘black box’（黑色盒子），在這神秘的盒子中有許多亟待挖掘的奧秘等待著科學(xué)家來揭開。”

近年來，隨著穴插電子顯微鏡、同步輻射表征技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家對于納米催化材料領(lǐng)域的研究已經(jīng)深入到原子級尺度，這為相關(guān)領(lǐng)域的研究者更進(jìn)一步認(rèn)識催化領(lǐng)域的相關(guān)機(jī)理并推動領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展提供了良好契機(jī)。

2019年，陳晨順利獲得了國家杰出青年科學(xué)基金“納米催化劑的理性設(shè)計和精準(zhǔn)調(diào)控”的支持，開始了在這一領(lǐng)域的深度探索。

眾所周知，催化領(lǐng)域如今面臨著許多新的挑戰(zhàn)，例如化石能源高效利用、減少二氧化碳排放、高效率燃料電池等，其中涉及的催化科學(xué)問題均是關(guān)系到國計民生的重要問題。針對不同的催化反應(yīng)，理性設(shè)計并制備出高效、穩(wěn)定的催化劑是當(dāng)下化學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題之一。

事實上，催化的本質(zhì)是反應(yīng)物與催化劑表界面的活性中心形成活化配合物。通過精準(zhǔn)調(diào)控納米催化劑表面的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)，可改變活性中心的結(jié)構(gòu)，有望大幅降低反應(yīng)活化能，甚至徹底改變反應(yīng)路徑，進(jìn)而使催化劑的性能產(chǎn)生數(shù)量級的提升。因此在納米、原子尺度上認(rèn)識進(jìn)而理性設(shè)計并精準(zhǔn)調(diào)控合成催化劑具有極其重要的科學(xué)意義。

在這一項目研究中，陳晨團(tuán)隊將結(jié)合納米材料與催化化學(xué)的發(fā)展態(tài)勢以及國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需求，開展納米催化劑的理性設(shè)計、精準(zhǔn)控制合成以及構(gòu)效關(guān)系的研究工作：聚焦烷烴活化、二氧化碳轉(zhuǎn)化等若干具有前沿代表性的催化反應(yīng)，在原子尺度上探索反應(yīng)物在催化劑表界面上的吸附、活化和脫附方式，嘗試揭示催化劑在催化反應(yīng)中的作用機(jī)理。并基于他之前在納米催化劑調(diào)控合成經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，有針對性地進(jìn)行催化劑理性設(shè)計，發(fā)展全新的合成策略，以期在催化劑的原子級調(diào)控領(lǐng)域中開拓出有自己特色的研究方向。

在美國黃石國家公園

多年的研究積累，給陳晨帶來了豐富的科研碩果。從事科研以來，他共發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，其中包括Science、Nat.Chem.、Nat. Catal.、Nat. Commun.、J. Am.Chem. Soc.、Angew.Chem. Int. Ed.等。發(fā)表的論文總被引用3000余次，獲得專利共5項。研究成果被美國能源部、Science Daily、Chemistry World、C&EN等多家權(quán)威機(jī)構(gòu)網(wǎng)站轉(zhuǎn)載，并以Research Highlights、Perspective、Views & News等形式評述報道，在領(lǐng)域內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。

初心為伴，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用并行

在納米催化材料的研究過程中，有時候?qū)嶋H的催化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到最初的設(shè)計預(yù)期，以致于科學(xué)家在實驗的過程中會走很多彎路，這個時候，更需要研究者有不斷試驗的耐心，以及認(rèn)識問題后解決問題的能力。對于陳晨來說，雖然科學(xué)研究中的困難常在，但是在研究成果達(dá)到預(yù)期的一瞬間，一切的壓力與痛苦也會隨即煙消云散?！懊恳淮卧趯嶒炛邪l(fā)現(xiàn)一個特別神奇的催化效應(yīng)的時候，我就會覺得特別有意思。如果一個大家從未想到的催化劑，在非常重要的反應(yīng)中產(chǎn)生一些從未起到的效果，那便是我最高興的事情?！标惓空f。

青年科研工作者是國家未來科研事業(yè)的希望。如今，陳晨也在承擔(dān)著新一代科研人才的培養(yǎng)工作。經(jīng)過多年在教學(xué)崗位的歷煉與成長，他也逐漸形成了一套屬于自己的教學(xué)方法。在課堂上，為了避免學(xué)生單純學(xué)習(xí)理論知識的枯燥，陳晨會將自己在科研領(lǐng)域所整理的相關(guān)內(nèi)容融合在對應(yīng)的章節(jié)里面，不僅能提高課堂效率，還能讓學(xué)生更好的理解書本內(nèi)容。一直以來，陳晨始終認(rèn)為，20多歲是人類最有創(chuàng)造力的時期，所以在引領(lǐng)學(xué)生從事科學(xué)研究的時候，他從不會給學(xué)生太多的枷鎖和限制。在大方向的引導(dǎo)下，陳晨會給予學(xué)生更大的科研自由度，讓他們發(fā)揮主觀能動性，開展相關(guān)研究工作。這樣不僅能提高學(xué)生的科研自信，還能讓他們在不斷探索開拓中，體味到科學(xué)研究的魅力。

孜孜不倦投身于科學(xué)研究中，陳晨收獲了滿滿的科研碩果。2015年，他獲得中組部“青年千人”計劃支持，2018年獲得北京市杰出青年科學(xué)基金支持；自此之后，他又相繼獲得2018年度中國化學(xué)會青年化學(xué)獎，以及中國化學(xué)會第三屆納米化學(xué)新銳獎。雖然榮譽(yù)加身，但是陳晨并未滿足于現(xiàn)狀，他堅信：在納米催化材料的設(shè)計合成和應(yīng)用研究中，未來還有無限的發(fā)展空間等待著他去探索和開拓。

現(xiàn)如今，自主創(chuàng)新的科研成果成為各國科技競爭的最大利器。在納米催化材料的設(shè)計合成和應(yīng)用研究中，如果能發(fā)展自己國家的更為廉價、更有競爭力的催化材料，就能盡快擺脫國外技術(shù)的限制?！耙话阍趯嶒炇依镒龀鰜淼募夹g(shù)，想要在工業(yè)中順利應(yīng)用的話，都是需要時間的積累與不斷試驗的?！标惓空f。目前，依托于李亞棟老師所創(chuàng)辦的公司，陳晨團(tuán)隊也在對自己開發(fā)的相關(guān)催化劑產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用推廣。在基礎(chǔ)研究方面，他們還將深入于催化材料的機(jī)理研究中，為做出更加精準(zhǔn)調(diào)控的催化材料而不斷探索下去。

前路任重而道遠(yuǎn)，陳晨團(tuán)隊唯有堅守初心，用實際科研成果來施展自己的科研抱負(fù)，在納米催化材料的設(shè)計合成和應(yīng)用研究中做出更多有利于國家和社會的科研貢獻(xiàn)。