張錦玉

假如僅有1塊標準樂高積木，那它只是個長方體積木而已。但如果有6塊這樣的積木，就可以創(chuàng)造出超過9億種不同的組合。“拆開來看平平無奇，組合起來變化萬千”，從這個角度來說，中國海洋大學教授侯春朝的研究對象——金屬有機框架材料（M O F），也是一種“樂高式積木”。金屬有機框架材料作為新一代多孔材料，憑借其超高的比表面積（可達10000m2g-1）、均一化孔道設(shè)計、化學可修飾性等眾多優(yōu)勢在能源轉(zhuǎn)換、藥物載體、傳感反饋等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為當今研究的熱點。

作為一名功能多孔材料的研究者，侯春朝始終在基于金屬有機框架材料的可控設(shè)計及能源催化領(lǐng)域潛心鉆研，砥礪前行。經(jīng)過多年探索，他像“魔術(shù)師”一樣，將金屬離子和有機配體這兩種“積木”拼裝成結(jié)構(gòu)不同、性能各異的金屬有機框架基功能材料。在擁有無數(shù)種可能的微觀世界里，他創(chuàng)造出了一些獨一無二的新材料，摸索出了一套行之有效的研究方法，也搭建了一條通往科技高峰的攀登之路。

道雖邇，不行不至；事雖小，不為不成

《說文解字》中解釋道：“孔：通也?！倍嗫撞牧暇褪沁@樣一類由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料。作為最新一代多孔材料，金屬有機框架材料研究起源于20世紀90年代末——科學家發(fā)現(xiàn)金屬離子和有機配體可以通過配位作用，制備出具有穩(wěn)定孔道的結(jié)晶多孔框架材料；通過更換不同的金屬離子和有機配體，可以合成不同結(jié)構(gòu)的框架材料。截至目前，有多達上萬種框架材料被制備出來。

眾多優(yōu)勢使框架材料得以在人類化學史上書寫新的“網(wǎng)絡(luò)化學”篇章。但在電化學應(yīng)用領(lǐng)域，框架材料一般是惰性的，需要化學修飾或結(jié)構(gòu)改造。侯春朝就致力于金屬有機框架材料的電化學應(yīng)用這一重要能源領(lǐng)域。2012年，侯春朝進入中國科學院理化技術(shù)研究所由支志明院士領(lǐng)銜的“中科院-香港大學新材料研究團隊”，從事金屬有機框架基材料的設(shè)計、制備及電化學應(yīng)用方面研究。2017年，他留學日本，先后在日本國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（A I S T）和日本京都大學化學能源開放創(chuàng)新實驗室（ChEM-OIL）學習和工作，師從日本工程院院士徐強教授（Prof. Qiang Xu）和日本學士院院士北川進教授（Prof. Susumu Kitagawa），這為他日后開發(fā)新型框架基材料在能源轉(zhuǎn)換和儲存方面的應(yīng)用研究打下堅實基礎(chǔ)。

侯春朝

在電催化領(lǐng)域，框架材料導(dǎo)電率低且在溶液中不穩(wěn)定，極大限制了其在電化學領(lǐng)域的進一步發(fā)展。針對這一難題，侯春朝通過可控碳化制備了功能多孔金屬有機框架衍生材料。此類材料不僅繼承了框架材料的高孔性，又憑借良好的導(dǎo)電率和可控催化位點設(shè)計，在電催化領(lǐng)域大放異彩。圍繞“無損性多孔設(shè)計”和“精準活性位構(gòu)筑”兩方面，侯春朝進行了一系列緊密相連的創(chuàng)新性研究工作，揭示了界面誘導(dǎo)作用對材料組裝合成和催化性能調(diào)控機制，提出了新原理和新概念，為制備新型能源轉(zhuǎn)換體系提供新思路和方法等。

元代詩人馬鈺在《踏云行·偶爾心明》中提到：“偶爾心明，自然靈感。”自然總能給人以啟迪，侯春朝也喜歡在自然中尋找材料設(shè)計上的靈感。一次研究中，他要解決這樣一道難題：傳統(tǒng)多孔材料顆粒之間物理接觸導(dǎo)電性差，若合成多孔聚集體導(dǎo)電性提高，孔道則會崩塌，多孔性下降。如何平衡兩者關(guān)系，“無損傷”合成超結(jié)構(gòu)材料，讓材料“運動”起來，使其按照人的想法“順其自然”地自組織拼接成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)呢？一籌莫展之際，他決定出門走走。彼時，日本街頭開滿了五顏六色的繡球花。侯春朝注意到，這些繡球花上的小花朵層層疊疊地堆積著，卻沒有互相擠壓生存空間，每一朵小花都能自由地舒展它的花瓣、充分感受陽光的洗禮，甚至還通過互相支撐獲得了單個花朵所沒有的強韌，使其得以在風吹雨打中保持它的美麗。一簇簇大的繡球花，遠處看去，平平無奇，細處看來，內(nèi)有溝壑乾坤，有著多層級結(jié)構(gòu)——這不正像一個超結(jié)構(gòu)材料嗎？基于這一靈感，侯春朝發(fā)展了“自下而上（Bottom-Up）”無損傷性金屬有機框架材料自組裝超結(jié)構(gòu)新方法，首次揭示了“無損傷”合成對材料電催化性能提升機制。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊上，得到了業(yè)內(nèi)專家的極大認可，取得了很大成功。

當被問及如何取得這些創(chuàng)新性成果時，侯春朝回答：“我是個行動派，正所謂‘道雖邇，不行不至；事雖小，不為不成’。對待化學，就是不停的嘗試加偶然的靈感，以前導(dǎo)師也告訴過我，‘化學就是實驗（Chem is try）’?！?/p>

咬定青山不放松，立根原在破巖中

面向國家能源技術(shù)方面的重大需求，侯春朝持續(xù)深耕電化學儲能研究。當下新能源經(jīng)濟中，形成了以鋰電池為代表的電能存儲利用體系，但面臨著鋰枝晶帶來的起火爆炸及鋰資源不可逆消耗、電池回收難等眾多挑戰(zhàn)。尋找可替代的高性能、高安全電化學儲能器件是最有希望的突破方向之一。

侯春朝（后排左四）在日本時的團隊合影

一般來說，電池能量密度高，但循環(huán)穩(wěn)定性較差。而電容器有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，但儲能效果較差。能否將這兩者優(yōu)勢互補，研發(fā)一種新型電化學儲能器件，使其兼具電池和電容器的優(yōu)點呢？答案是有的，就是雜化電容器?！斑@種儲能器件十分特別，一半是電池，一半是電容器，能夠?qū)烧邇?yōu)勢完美統(tǒng)一?！钡@種器件，特別是在水系條件下，要想運行起來，需要克服幾大難題：一是受限于水的理論分解電壓，電池電壓窗口較窄；二是電極材料對鋅離子吸附作用較弱且自放電嚴重；三是電極材料多孔性限制，傳質(zhì)受阻。“說到底是材料的問題，傳統(tǒng)材料無法克服以上難點，制約了新型器件的開發(fā)和利用?！?/p>

針對以上重要科學問題，侯春朝利用開放性孔道的新型金屬有機框架基衍生電極材料，研發(fā)出了高性能高穩(wěn)定性的新型水系鋅離子雜化儲能器件。大比表面積和開放性的孔道設(shè)計賦予了材料優(yōu)異的離子傳質(zhì)性能，其內(nèi)部磷基鋅離子吸附位點的構(gòu)筑，有效提升了鋅離子儲存能力，抑制了自放電問題。這種儲能器件能量密度接近常規(guī)鋰離子電池，實現(xiàn)了高電壓輸出（達到2伏）和超高的循環(huán)穩(wěn)定性（循環(huán)達到30萬次），還具備超強的耐溫特性，在-25℃到40℃之間均表現(xiàn)出良好的性能。文章一經(jīng)發(fā)表，便引起學術(shù)界的廣泛關(guān)注。

在侯春朝看來，他之所以能不斷取得創(chuàng)新成果，一方面要感謝多年來妻子和家人的全力支持、導(dǎo)師的引導(dǎo)與啟迪、同事及學生的共同努力；另一方面則在于長期打下的扎實功底、深厚積淀和永不言敗的精神。他說：“做科研是一場苦行僧般的修行，不僅要耐得住寂寞，坐得了冷板凳，還要學會坦然接受別人的冷眼與質(zhì)疑，更要有‘咬定青山不放松，立根原在破巖中’的精神?！?/p>

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索

羈旅他國的這些年里，侯春朝始終關(guān)注著祖國的發(fā)展，牽掛著祖國的山河。學有所成后，他第一時間想到的就是回國，將自己所學運用到國家建設(shè)中。啟程之前，他請教自己的導(dǎo)師：“回國后，我是否還要繼續(xù)從事先前的研究?！睂?dǎo)師語重心長地告訴他：“你如果繼續(xù)做這一方向，即使再做10年，也不過是在之前的成果上添磚加瓦。未來你一定要推陳出新，即使再難，也要做自己的研究，努力實現(xiàn)從0到1的原創(chuàng)性突破，而不是做從1到100的研究?！睂?dǎo)師的諄諄教導(dǎo)，侯春朝銘記于心。

侯春朝在外這幾年，也是世界能源環(huán)境問題越發(fā)突出的幾年，發(fā)展清潔能源利用技術(shù)勢在必行。因此，他選擇回到自己的家鄉(xiāng)山東，加入中國海洋大學，計劃將研究與海洋大學平臺相結(jié)合，在近海構(gòu)建海上浮島型一體化制氫平臺，將海上豐富的風力和太陽能資源轉(zhuǎn)換為電能后，再利用框架材料催化技術(shù)從海水中提取綠氫?！爸袊０毒€漫長，沿海地區(qū)占據(jù)了中國人口和國內(nèi)生產(chǎn)總值的大部分，我的夢想是利用海上浮島型一體化制氫平臺，實現(xiàn)海洋到陸地的輻射，供應(yīng)綠氫協(xié)同燃料電池等方式進入人們生產(chǎn)生活的方方面面，推動氫能生態(tài)的構(gòu)建。”

“前路漫漫，接下來的任務(wù)還很重，我們唯有腳踏實地，一步一個腳印地往前走，以后的路才會更穩(wěn)、更寬?！焙畲撼缡钦f，“在科研的道路上，將熱愛、身心傾注在你所期望的事物上，必有收獲?！笨?/p>