REPORTER'S

NOTES

人物素描

近年來，環(huán)境污染與能源短缺越來越引發(fā)人們的關(guān)注，一方面，人類工業(yè)文明對(duì)煤炭、石油等化石能源的需求日益增大，導(dǎo)致這些資源日漸枯竭；另一方面，化石能源的使用還會(huì)導(dǎo)致氣候變暖和環(huán)境污染，已嚴(yán)重威脅人們的生存。這兩方面彼此關(guān)聯(lián)，相輔相成，只要解決其中一個(gè)，另一個(gè)也就能迎刃而解，尋求高效清潔的可再生能源成為全世界科學(xué)家的共同課題。習(xí)近平主席在 2020年9月22日召開的聯(lián)合國大會(huì)上宣布：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于 2030年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在 2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”今年政府工作報(bào)告也對(duì)二氧化碳減排作出了明確要求。這些聽起來與環(huán)保、能源相關(guān)的話題，實(shí)際上要運(yùn)用多學(xué)科的交叉、跨領(lǐng)域的融合，而化學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科，在其中占據(jù)了十分重要的位置。

本次的采訪對(duì)象，就是一位做能源相關(guān)研究的材料化學(xué)教授。在做采訪前功課時(shí)，記者感到過困惑，像這樣級(jí)別的專家學(xué)者，研究的內(nèi)容不說是聞所未聞的，至少也應(yīng)是些“晦澀難懂”的，而他的主攻方向卻是“平平無奇、人盡皆知”的——光合作用。這個(gè)大家都知道的學(xué)科有什么值得深入研究的價(jià)值嗎？它和能源又有什么關(guān)聯(lián)？帶著一大堆問號(hào)，記者見到了他——天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長魯統(tǒng)部教授。

不知是出于對(duì)學(xué)科的熱愛，還是看出了記者的疑惑，魯教授一上來就和記者介紹起了自己的專業(yè)?！肮夂献饔脧V泛存在于自然界，以綠色植物等為依托，借助太陽光，通過葉綠體收集太陽光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成富有能量的有機(jī)化合物，并釋放出氧氣。光合作用為地球上所有復(fù)雜的生命提供能量和氧氣，是地球上生命賴以生存的基礎(chǔ)反應(yīng)。光合作用就在我們身邊，天天都在進(jìn)行，將這一自然反應(yīng)人工化，就可以源源不斷生產(chǎn)清潔能源?！濒斀y(tǒng)部簡單幾句話就解開了記者先前的諸多疑問。

然而，物種進(jìn)化的偉大成就也成了科學(xué)家?guī)缀醪豢捎庠降钠琳稀Ｔ缭谏鲜兰o(jì)70年代初，科學(xué)家就開始嘗試模擬光合作用儲(chǔ)存太陽能，“但太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率太低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)用化的目標(biāo)”。能像那些植物一樣，時(shí)時(shí)刻刻悠閑平靜地將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，就是魯統(tǒng)部的科研理想。在實(shí)現(xiàn)理想的路上，他已經(jīng)走過了30多年，并且現(xiàn)在還在不斷探索。這么多年只做這一項(xiàng)工作，其中的枯燥寂寞是旁人難以體會(huì)和理解的，但魯統(tǒng)部似乎并未察覺，甚至還樂在其中?！白钪匾氖且信d趣，喜歡并且熱愛自己從事的工作。”化學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科，又是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)中遇到的變量很多，為了得到一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)探索和求證。“我曾經(jīng)帶過一個(gè)女學(xué)生，從研究生開始就專攻一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，一直做到博士才成功，這期間她經(jīng)常哭著鼻子從實(shí)驗(yàn)室出來?！濒斀y(tǒng)部說，在他看來，基礎(chǔ)科學(xué)獨(dú)特的魅力正在于此——只有通過艱苦探索，才能找到答案。

“搞科學(xué)研究不付出超過常人的努力，怎么能獲得超過他人的成果？”魯統(tǒng)部經(jīng)常用這句話激勵(lì)師生?！拔覈壳俺兄Z的碳達(dá)峰到碳中和的時(shí)間僅為30年左右，這樣的轉(zhuǎn)型力度前所未有，也是對(duì)我們科研人員提出的更高要求?！弊鳛楦咝５膶W(xué)科帶頭人，魯統(tǒng)部堅(jiān)持將國家重大需求與自己的科研方向緊密結(jié)合，圍繞清潔可再生能源生產(chǎn)等關(guān)鍵材料與技術(shù)，開展新能源催化材料與器件的研發(fā)。他先后承擔(dān)了國家科技重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家基金重點(diǎn)項(xiàng)目等一批國家重大重點(diǎn)項(xiàng)目，在國內(nèi)外高水平雜志上發(fā)表論文近300篇，被SCI他引9000余次，H因子54；獲授權(quán)中國發(fā)明專利23項(xiàng)，2006年獲國家杰出青年基金，2012年被評(píng)為國務(wù)院政府特殊津貼專家，2012年獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（排名第5），2013年獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（排名第3），2014年入選英國皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，2018年獲評(píng)天津市主題教育優(yōu)秀共產(chǎn)黨員稱號(hào)，2019年獲天津市優(yōu)秀科技工作者稱號(hào)，2020年當(dāng)選天津市勞動(dòng)模范，2021年又獲得全國五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

魯統(tǒng)部在教育與科研上能取得如此成績不是偶然的，那些激勵(lì)師生的話，也是他自己的座右銘?！案憧茖W(xué)研究就要耐得住寂寞、耐得住清貧，要持之以恒，要肯于投入時(shí)間，要付出畢生精力?！睅资陙?，魯統(tǒng)部一直堅(jiān)守在教學(xué)科研第一線，潛心問道、辛勤耕耘。在學(xué)生的印象中，魯教授經(jīng)常加班到深夜，周末也堅(jiān)持工作，每次出差都是馬不停蹄，回來后的第一件事不是回家而是來學(xué)校工作。“我們趕上了好時(shí)候，無論是國家、天津市還是理工大學(xué)，都為我們提供了非常優(yōu)越的科研環(huán)境，在這種條件下，我們更沒有理由停滯不前?！?/p>

采訪結(jié)束前，記者在樓道里看到了一排排裝訂整齊的英文論文，魯統(tǒng)部笑著隨手拿起一篇說：“這是我們一位博士生在《德國應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表的論文?！比缓?，他又指了指下面一排，“這里還有很多?！泵鎸?duì)這些論文，魯統(tǒng)部的神情里充滿著驕傲，話語中透露著自豪。

專注，源于熱愛；堅(jiān)守，方出成績。無論是做科研還是做老師，魯統(tǒng)部始終都秉持著那顆熱愛的赤誠初心，堅(jiān)守如一。如今，由魯統(tǒng)部培養(yǎng)出的學(xué)生也像他們的前輩一樣，在各自的科研崗位上默默進(jìn)行著“光合作用”，不遺余力地發(fā)揮著自己的能量……

魯統(tǒng)部在教育與科研上能取得如此成績不是偶然的，那些激勵(lì)師生的話，也是他自己的座右銘?！案憧茖W(xué)研究就要耐得住寂寞、耐得住清貧，要持之以恒，要肯于投入時(shí)間，要付出畢生精力?！睅资陙?，魯統(tǒng)部一直堅(jiān)守在教學(xué)科研第一線，潛心問道、辛勤耕耘。

EXCLUSIVE

DIALOGUE

獨(dú)家對(duì)話

記者：人工光合作用應(yīng)該是您研究的一個(gè)大方向，您能否簡單介紹下？

魯統(tǒng)部：從專業(yè)角度來說，我主要從事的是配位化學(xué)領(lǐng)域的研究，早期是研究大環(huán)化合物配位空間對(duì)金屬離子的識(shí)別作用，后來發(fā)展到具有特殊籠狀及多識(shí)別位點(diǎn)配位限域空間金屬有機(jī)框架材料（MOFs）的定向構(gòu)筑方法。這些都進(jìn)一步拓展了上述配位及分子籠限域空間對(duì)小分子的高效識(shí)別與催化轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了類生物酶功能在常溫常壓下穩(wěn)定碳—碳化學(xué)鍵的活化，以及惰性溫室氣體二氧化碳的高效催化轉(zhuǎn)化，也就是俗稱的人工光合作用。

記者：您在人工光合作用研究方面取得了哪些進(jìn)展？

魯統(tǒng)部：受生物酶對(duì)底物分子識(shí)別和催化反應(yīng)過程的啟發(fā)，最初我們?cè)O(shè)計(jì)合成了能同時(shí)結(jié)合二個(gè)金屬離子的氮雜大環(huán)穴醚分子籠，利用分子籠中雙核銅限域空間對(duì)氰根的高效識(shí)別和協(xié)同配位作用，削弱了與氰根相連的C-C化學(xué)鍵，使其在室溫和大氣環(huán)境下能夠高效活化并裂解乙腈穩(wěn)定的碳—碳鍵，生成氰根橋聯(lián)的配合物和甲醇。結(jié)構(gòu)類似的單核金屬配合物無催化裂解乙腈碳—碳鍵的活性，表明分子籠中雙核金屬協(xié)同催化是活化斷裂乙腈碳—碳鍵的關(guān)鍵?；谏鲜鰠f(xié)同配位活化機(jī)理，發(fā)展了一類在常溫常壓下高效光催化二氧化碳還原為一氧化碳的大環(huán)雙核鈷分子籠新體系，其催化活性遠(yuǎn)高于相應(yīng)的單核鈷配合物及文獻(xiàn)報(bào)道的大部分催化劑。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果表明，分子籠限域空間中的兩個(gè)鈷離子間存在協(xié)同催化作用，其中一個(gè)Co（II） 作為催化活性中心結(jié)合和還原二氧化碳，另一個(gè)Co（II）作為輔助催化位點(diǎn)促使氫氧根的離去，從而有利于反應(yīng)中間體O=C-OH中的C-OH鍵斷裂，降低了速控反應(yīng)的活化能?；?“雙核金屬協(xié)同催化”的概念，我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)和構(gòu)建了大環(huán)穴醚異核CoZn配合物催化劑。由于Zn（II）比Co（II）具有對(duì)氫氧根更強(qiáng)的結(jié)合力，更有利于反應(yīng)中間體O=C-OH中OH的離去，其催化活性比雙核鈷配合物提高了4倍，比單核鈷配合物高40倍。

受我們科研項(xiàng)目的啟發(fā)，隨后，國內(nèi)外多個(gè)課題組構(gòu)筑了系列均相和非均相雙核金屬催化中心，并證實(shí)了我們提出的雙核金屬協(xié)同催化的新理念。此外，我們還利用環(huán)糊精限域空腔對(duì)底物分子的高效識(shí)別作用，使CdS量子點(diǎn)在水溶液中能夠高選擇性將高濃度醇光催化氧化偶聯(lián)生成二醇，或?qū)⒌蜐舛却佳趸摎渖扇?，同時(shí)放出氫氣，實(shí)現(xiàn)有機(jī)產(chǎn)物綠色合成和100%原子利用率，該科研成果發(fā)表于國內(nèi)化學(xué)旗艦期刊CCS Chem.。以上研究為構(gòu)建新型高效人工光合作用催化體系提供了全新的設(shè)計(jì)理念。

記者：這些對(duì)人工光合作用的研究對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境有哪些推動(dòng)作用？

魯統(tǒng)部：水氧化由于涉及到多步電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，成為人工光合作用研究的瓶頸。我們利用大環(huán)鎳金屬的配位空間限域效應(yīng)構(gòu)筑了高效電催化水氧化體系。研究發(fā)現(xiàn)，將二個(gè)羥基限域在鎳離子的順式位置后，可發(fā)生新型的分子內(nèi)O-O鍵偶聯(lián)反應(yīng)，從而降低了水氧化速控反應(yīng)的活化能，提高了水氧化的催化活性。我們還將蒽環(huán)及銅離子同時(shí)引入具有限域空腔的大環(huán)穴醚分子籠中，光照條件下，蒽環(huán)激發(fā)態(tài)電子在分子籠限域空腔中被緊鄰的二價(jià)銅離子快速捕獲，隨后蒽環(huán)基團(tuán)中的空穴將水氧化為氧氣。而孤立的蒽有機(jī)配體不具備氧化水的能力，證明分子籠限域空間是賦予蒽環(huán)水氧化能力的關(guān)鍵，該研究開拓了有機(jī)配體作為水氧化催化劑的新體系。

我們進(jìn)一步將不穩(wěn)定的鈣鈦礦量子點(diǎn)引入卟啉金屬有機(jī)框架材料的籠狀限域空腔內(nèi)，利用金屬有機(jī)框架的保護(hù)作用穩(wěn)定了量子點(diǎn)。同時(shí)，由于量子點(diǎn)與卟啉催化活性中心在籠狀限域空間內(nèi)能夠緊密接觸，提高了量子點(diǎn)光生電子的傳輸效率，實(shí)現(xiàn)了用水做還原劑將二氧化碳高效光催化還原為甲烷和一氧化碳，并獲得到目前為止最高的甲烷和一氧化碳產(chǎn)量，被多位同行專家在綜述文章中詳細(xì)介紹。