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何鸣元院士详解:等级孔材料与绿色碳科学

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-11-04  来源:科学网  浏览次数:26
核心提示:自然界中等级特性随处可见,如叶脉的传输系统、人类的呼吸系统、血液循环系统等。通过模仿自然系统,在不同维度上构建等级孔道结
自然界中等级特性随处可见,如叶脉的传输系统、人类的呼吸系统、血液循环系统等。通过模仿自然系统,在不同维度上构建等级孔道结构,可以使其满足不同功能的需要。

在过去的十年里,人们对等级孔材料的合成和应用进行了大量研究,促进了这一研究领域的快速发展,引起了学术界和工业界极大的兴趣。

中国在这一领域的研究处于国际前沿,而华东师范大学的何鸣元教授正是这项研究的学术带头人之一。

何鸣元 院士

何鸣元教授1995年当选中国科学院院士,2001年获得何梁何利基金科学与技术进步奖,2012年获得“中国催化成就奖”,2019年获得“中国分子筛终身成就奖”。他的主要研究方向是新型催化材料和炼油催化剂及工艺。他是中国绿色化学领域的开拓者,积极推动着绿色化学化工的发展。



最近,《国家科学评论》(National Science Review,NSR)就等级孔材料的最新进展和未来发展前景等问题采访了何鸣元院士。本次专访恰逢何院士80岁生日,谨以此文献上祝福,并致敬他在催化科学与技术领域诸多方面做出的突出贡献。

【等级孔材料是什么?】


NSR:在我们周围的环境中,等级结构无处不在,例如生物系统中从简单的单细胞生物到更加复杂的人体。您能谈谈等级孔的定义吗?什么是等级孔材料?

何鸣元:
从广义上讲,多重孔道材料是指包含两种或两种以上孔径分布的孔结构材料,不论这两个(或多个)不同的孔道是否(或如何)相互连通。

只有当整个孔道系统呈现出排列良好的多孔结构并增强了物质传递时,包含两种或两种以上孔道结构的系统才能被定义为等级孔系统。因此,需要注意明确区分“等级孔材料”和含义更宽泛的“多重孔道材料”。

2017年3月,我和苏宝连、谢在库两位教授在北京共同主持了第590次香山科学会议。在这次会议上,等级孔材料被定义为一类具有特殊多孔结构的材料,其多孔结构是由不同尺度上相互连通的孔组成,包括微孔(<2 nm)、介孔(2~50 nm)和大孔(>50 nm)。


在等级孔材料中,微孔为客体分子提供了择形效应(只有大小和形状与孔道相匹配的客体分子才能进出微孔),介孔增加了微孔的可及性,大孔为客体分子提供了畅通无阻的传输路径。这种孔道结构的等级性对于大分子的扩散或在粘稠系统中的扩散特别重要。

简而言之,等级孔材料的孔道结构应该包含层次性、贯通性和规律性的特征。

NSR:从生物技术、生物医药、催化、能源、光学、分离到生物分子固定化和生物有机体等多个研究领域都对等级孔材料产生了浓厚的兴趣。您认为目前等级孔材料研究中最重要的问题有哪些?

何鸣元:
我认为首要的问题是通过开发新的合成策略,来满足今后等级结构的精准合成和不同层次孔道贯通性精细调控的需求。

一般来说,等级孔材料都具有大的表面积,能够为反应物(或产物)吸附(或脱附)其框架内的活性位点提供高效的物质传递。然而,很多等级孔材料中包含无序的孔道网络。与具有单一微孔结构的材料相比,这种无序性会影响催化活性位点的性质,如酸强度/密度和表面疏水性等。

另一个重要问题是如何开发新的合成策略来实现等级孔材料的大规模生产。

目前,合成的等级孔材料大多是粉末状的,这意味着它们不能直接应用于实际工业。现阶段,合成方法的局限性阻碍了等级孔材料的大规模生产,这严重制约了它的进一步应用和发展。

【绿色碳科学的前世今生】


NSR:作为绿色碳科学研究的先行者,您能概述一下绿色碳科学的内涵吗?


何鸣元:

绿色碳科学这个概念最早是由孙予罕教授、韩布兴教授和我本人共同提出的,在2010年第15届全国催化学术会议上以大会报告的形式展现,并在一篇学术论文中进行了总结(Angew Chem Int Ed 2013; 52: 9620-9630)。

碳是生命、社会和工业的关键元素。碳能源对人类社会可预见的未来极为重要,对我国的能源战略也尤为重要。

我们应当意识到,适当存在的二氧化碳和温室效应对地球上的生命是必要的。因此,平衡和再循环是关于二氧化碳和温室效应的关键因素。碳、氢、氧是构成碳能源的三大化学元素。碳能利用和碳平衡的实现是基于氧化还原的化学原理。

因此,作为一种自然规律,等级性是碳能源的一个特征。在氢、碳、氧的三元化学组成中,如果以碳能量为衡量标准,可以将不同的碳资源从碳氢化合物到碳氧化合物排列为:天然气、石油、煤炭、生物质和二氧化碳。

绿色可持续化学已被证明在解决世界能源的三元制约难题(可持续发展—能源—环境)中发挥着创造性的作用。如果我们用“碳能源”取代“能源”,用“二氧化碳”取代“环境”, 那么就产生了一个全新的概念——“绿色碳科学”,它将更精准地关注“可持续发展—碳能源—二氧化碳”这个三元制约难题。

可持续发展是人类社会面临的一个巨大挑战。提高碳资源利用和碳循环的效率,能帮助我们应对这一挑战。高效转化和利用化石能源、生物质和二氧化碳,同时尽量减少能耗和二氧化碳排放,都是至关重要的。

因此,绿色碳科学旨在通过研究和优化含碳化合物的转化以及与其相关的整个碳循环过程,包括碳资源加工、碳能利用、二氧化碳固定和碳循环,及其间碳化学键的演变等,来实现碳资源的高效利用和二氧化碳净排放的最小化。

此外,要实现社会的可持续发展,化学上可行和有效的措施是高效利用有限的化石能源,并开发大规模将生物质转化为燃料和高附加值化学品的生产工艺。

NSR:在绿色碳科学领域,您最喜欢的研究课题是什么?

何鸣元:
人们普遍认为,太阳能是人类的终极能源。我对绿色碳科学在太阳能利用中能发挥多大作用非常感兴趣。绿色碳科学中的一个重要课题是生物质转化。

碳资源的高效利用、碳减排和碳循环已经成为战略研究的重点和社会面临的重大挑战。化石能源的加工利用和生物质转化已经得到广泛研究。

目前,我们使用的燃料和能量大多来自不可再生的化石资源。人类的一个重要目标是实现可持续发展,生物质则是一种储量丰富的可再生碳资源,开发生物质转化将会是解决这一问题的有效途径。

NSR:绿色碳科学领域目前面临的主要挑战有哪些?

何鸣元:
目前,很多生物质转化的途径虽然在技术上是可行的,但非常不经济,需要进一步改进生产工艺,以实现高效、低能耗的大规模生产。

此外,生物质独特的结构为设计和生产新的化学品提供了巨大的机会。我们应该致力于设计新的合成策略,在尽可能保持原料化学结构的基础上,制备具有所需性质的产物。这样,我们才能低能耗地生产所需要的产物。

目前,很多新的有价值的产物无法由化石资源来制备,预计将来有可能由生物质来制备。

【等级孔材料与绿色碳科学】


NSR:等级孔材料对推动绿色碳科学的发展是否有重要的意义?

何鸣元:
是的,等级孔材料在绿色碳科学的发展中发挥了非常重要的作用。刚才提到,当前人类使用的燃料和能量大多来自化石能源。而且,在可预见的未来,化石能源仍将是人类最主要的能量来源。

高效利用有限的石油资源尤其重要,因为我们目前还没有可替代的资源和技术来提供人类所需的如此大量的液态输送的燃料。

因此,设计等级孔催化材料来减少工业条件下焦炭和二氧化碳的生成非常关键。

另外,等级孔材料在很多生物质转化过程中也发挥着重要的作用。生物质能够提供大量可再生的碳。将生物质高效转化为高质量的燃料和化学品是一项长期的任务。

通常,生物质转化过程涉及到将庞大的生物大分子分解成小的基础分子,再对这些小分子进行进一步加工,最终生成高附加值的产物。

利用等级孔材料能够加速物质的扩散,并使它们更容易接近反应活性位点,从而帮助促进生物质的转化。通过在不同尺度上对材料的孔隙率和结构进行等级构建,就可能制备出绿色碳科学所需的各种功能的材料。

NSR:虽然等级孔材料的制备取得了很大的进展,但可以说,设计和合成用于特定应用的等级孔结构并非易事。您对等级孔材料的设计理念有什么建议或展望吗?

何鸣元:
目前,我们仍在遵循试验-测试-优化-再测试的过程,来获得优化的但并非最好的目标材料。这是由于我们对先进材料设计的原理、规则和理论缺乏理解造成的。

“定向设计材料性能”的概念对该领域今后的发展很有吸引力。我们能不能建立一套材料设计的理论来实现可预测的和优化的功能?

我认为,我们也许可以从大自然提供的具体例子中获取很多重要的启示。这些启示能帮助我们确定材料设计所要遵循和模仿的规则。

许多种类的生物都具有效率极高、能耗最低的等级孔网络,例如植物的茎和叶脉、动物的血管和呼吸系统等。

这些有生命的等级孔网络在有限的体积内连通,可以最大限度地降低物质到达所有孔的传输阻力,并确保整个等级网络内的畅通传输,这也是生物体得以生存的前提。

近期,利用广义默里定律,苏宝连教授团队首次制备出了模仿天然血管结构的系列仿生材料。这类材料的孔径在多个尺度上逐渐减小,最终终止于一个尺寸不变的单元,类似于植物茎、叶脉、血管和呼吸系统的等级结构。

这些仿生材料具有等级化的分支,在液-固、气-固和电化学反应中大大促进了物质的交换和传递。这是首个定量材料设计的例子,通过精确控制直径比来连接从大孔到微孔等不同尺度上的孔道结构。

这项工作开创性地展示了同时对不同尺度进行优化的材料制备过程。这个过程所遵循的设计原理借鉴了天然的等级系统,使得可预测地控制材料的性能成为可能。采用这种方法来构建其他具有相互贯通孔道结构的等级网络也是非常可取的。

我很高兴地看到,工业界也在这一领域投入了大量努力。例如,由谢在库教授和杨为民教授领衔的中国石化上海石油化工研究院(Sinopec)从工业应用的角度对这一领域作出了相当大的贡献。

等级材料的概念也已经应用到金属有机框架和纤维领域。我希望National Science Review即将出版的《等级孔材料》专题能够吸引更多对这一研究领域的关注,从而推动这一领域从实验室到工业化的发展。

【给年轻研究者的建议】


NSR:您对刚刚进入等级孔材料研究领域的年轻研究者有什么建议吗?

何鸣元:
多年来,人们对等级孔材料进行了广泛的研究,并取得了很多成果。年轻的研究者在进入这个领域之前,应该仔细考虑自己能做些什么。

我建议他们可以根据自己的背景和兴趣,选择正在出现或尚未解决的挑战作为研究的重点。他们可能需要将等级孔材料和其他一些概念如空间限域、择形效应和分子识别等结合起来。

新的想法往往来自于已知的科学知识和未知的科学问题之间的接合处。新的发现和概念往往存在于与预期不符的实验结果中。年轻的研究者应该永远保持好奇心,研究他们真正感兴趣的东西。
 

相关论文信息:
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa131
 
 
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