周寶文 | 打造理想的碳中和能源動力解決方案

能源是推動人類社會發(fā)展的直接動力。工業(yè)革命以來，人類向大氣排放了超過1.5萬億噸的二氧化碳，引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境危機(jī)。目前，科學(xué)家正在嘗試通過人工光合作用，模擬自然界的綠色植物利用太陽光、水和二氧化碳合成燃料和化學(xué)品，既可以降低二氧化碳的濃度，又能保證能源的可持續(xù)供應(yīng)。

 

然而，光的高效吸收、電子-空穴的有效分離和高效定向的表面化學(xué)反應(yīng)仍然是人工光合作用合成太陽能燃料和化學(xué)品懸而未決的三大難題。來自上海交通大學(xué)新能源動力研究所的副教授周寶文一直致力于這一前沿領(lǐng)域，通過化學(xué)、物理、材料和工程熱物理等學(xué)科的交叉研究，自原子至系統(tǒng)層面為解決上述三大難題提供創(chuàng)新性的方案，取得了一系列的成果。他期待在不久的將來，人工光合作用能真正地服務(wù)于我國的能源系統(tǒng)乃至經(jīng)濟(jì)社會。

 

與二氧化碳相遇

 

周寶文開始從事二氧化碳相關(guān)的研究是在他碩士畢業(yè)之后。2013年，周寶文從中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所碩士畢業(yè)，進(jìn)入中國科學(xué)院化學(xué)研究所攻讀博士學(xué)位，他的導(dǎo)師是韓布興院士。“韓老師是國內(nèi)較早開始二氧化碳研究的專家，進(jìn)入課題組之后，我慢慢對研究二氧化碳產(chǎn)生了濃厚的興趣，可以說這是我研究二氧化碳旅程的起點。”周寶文如是說道。

 

師從韓布興院士的近10年時間里，一方面，周寶文親身感受到韓布興院士對二氧化碳轉(zhuǎn)化利用前沿性探索的執(zhí)著。他帶領(lǐng)團(tuán)隊不斷耕耘，取得了系列重要的成果。另一方面，周寶文作為韓布興院士團(tuán)隊的一員，也收獲了很多寶貴的經(jīng)驗。他說：“韓老師經(jīng)常來得比學(xué)生早，走得比學(xué)生晚。從這樣的小細(xì)節(jié)里，我能感受到老師做研究的專注，做一項研究可以堅持10年甚至20年不動搖。”

 

在博士期間，周寶文以水作為綠色的氫源和氧源，以太陽能為動力，在溫和條件下實現(xiàn)了不飽和有機(jī)物的還原、生物質(zhì)的氧化，發(fā)展了一條綠色的氧化還原路線，為可再生燃料和化學(xué)品的可持續(xù)生產(chǎn)做了有益的探索，期待取代傳統(tǒng)高能耗高污染的熱催化路線。

 

“我在完成博士學(xué)業(yè)之后，已經(jīng)堅定了從事學(xué)術(shù)研究的想法，出國的根本動力是想開闊視野，了解國際上最前沿的研究，加強(qiáng)與其他國家科學(xué)家的交流，學(xué)習(xí)新的知識。韓老師也十分支持我。”就這樣，周寶文在韓布興院士的建議下，于2017年6月前往加拿大麥吉爾大學(xué)，開啟了他的第一站博士后研究。

 

光生電子的高效傳輸是人工光合作用的三大挑戰(zhàn)之一。二硫化鉬（MoS?）價格低廉，結(jié)構(gòu)和電子特性獨特，具有卓越的水分解活性。MoS?與硅半導(dǎo)體集成在未來大規(guī)模光電催化分解水制氫方面有很好的前景。然而，MoS?和硅（Si）之間存在嚴(yán)重的界面缺陷，化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不相容。因此，電子傳輸阻力大，嚴(yán)重地影響了器件的制氫性能。

 

為此，周寶文與合作者在導(dǎo)師米澤田（Zetian Mi）教授的指導(dǎo)下，通過先進(jìn)的分子束外延技術(shù)和可控的電化學(xué)沉積技術(shù)在MoS?和Si之間精確地控制原子的排列，定向生長高晶格質(zhì)量、近乎零缺陷和高電子遷移率的氮化鎵（GaN）納米線，使電子在MoS?和Si之間的遷移電阻降低了3個數(shù)量級，僅為MoS?/Si的一千分之一?；诖?，周寶文與合作者麥吉爾大學(xué)孔祥華博士（現(xiàn)任職于深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院）創(chuàng)造性地提出了以高質(zhì)量GaN納米線打造人工光合作用電子通道的構(gòu)思，并從實驗上驗證了這一構(gòu)思的可行性，從原子-電子層面揭示了其背后的原因，為解決光生電子從半導(dǎo)體到催化劑高效轉(zhuǎn)移這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)提供了新的解決方案。這樣的嘗試為世界首次。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communication）上。

 

全新突破

 

2018年10月，周寶文結(jié)束在加拿大麥吉爾大學(xué)的博士后工作，來到美國密歇根大學(xué)安娜堡分校繼續(xù)從事相關(guān)研究。在此期間，周寶文首次通過GaN納米線/Si半導(dǎo)體平臺搭載新型的銅鐵雙金屬催化劑突破了傳統(tǒng)二氧化碳（CO?）還原合成甲烷的極限。

 

CO?反應(yīng)動力學(xué)遲緩，路徑復(fù)雜，易得到能量密度較低的低級產(chǎn)物。相比之下，甲烷的能量密度大，儲存、運(yùn)輸和燃燒的基礎(chǔ)設(shè)施完善。因此，甲烷是CO?還原的理想產(chǎn)物。然而，CO?還原合成甲烷的挑戰(zhàn)性巨大。雖然銅是公認(rèn)合成甲烷的最佳催化劑，但是單純的Cu基催化劑活性位點單一，對CO?的活化能力有限，在提升甲烷的活性和選擇性方面還有很大的空間。

 

為此，周寶文首次以銅鹽和鐵鹽為原料，通過外加電場的定向作用，巧妙地開發(fā)了一種新型的銅鐵雙金屬固溶體催化劑。首先，此催化劑能通過雙活性位點的協(xié)同作用將高度穩(wěn)定的線性CO?分子扭曲，極大地降低了CO?的活化能。這個新穎的銅鐵雙金屬固溶體催化劑搭載在GaN納米線陣列/硅平臺上，突破了Cu基催化劑還原CO?制備甲烷的極限。

 

以上研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》，申請了美國專利，且通過了專利合作條約（PCT）。這項研究工作為設(shè)計和開發(fā)新型的二元非貴金屬催化劑，實現(xiàn)高效定向還原二氧化碳，制備高級太陽能燃料提供了新的途徑。

 

2021年1月21日，由中國科學(xué)院、中國工程院主辦，中國科學(xué)院和中國工程院兩院院士評選產(chǎn)生的“2020年世界十大科技進(jìn)展”新聞在北京揭曉。周寶文以第一作者身份發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》的工作以第四名入選，名稱為：新型催化劑將二氧化碳變?yōu)榧淄椤?ldquo;進(jìn)展”將此項工作譽(yù)為“迄今為止，最接近人造光合作用的方法”“效率和產(chǎn)量是有史以來最高的”，引起了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注和高度肯定。

 

這項工作甫一發(fā)表，《科學(xué)》（Science）就對其做了長篇報道，將其譽(yù)為“一種燃起使用可再生能源合成甲烷希望的催化劑”。美國的替代能源網(wǎng)站（Green Car Congress）稱贊這一工作“提供了一條獨特、高效而且成本低廉的太陽能燃料合成路線”。

 

推進(jìn)新型能源研究

 

回望過往十多年的研究歷程，周寶文的研究重點也有一些細(xì)微的變化。他說：“我早期進(jìn)入這個領(lǐng)域的時候，更多的是偏向于從化學(xué)的原理去探索如何把太陽能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)能的科學(xué)問題。到博士后階段的時候，我更偏向從電氣工程、半導(dǎo)體器件、能源動力等方向去思考太陽能的轉(zhuǎn)化與利用，特別關(guān)注將其與可再生碳?xì)滟Y源加工相結(jié)合，制備可存儲的可再生合成燃料，以期減少對化石能源的依賴。”周寶文坦言，思考問題角度的變化對他的影響是非常深刻的。他開始逐漸意識到，可再生合成燃料不僅僅是單個學(xué)科的問題，更是一個系統(tǒng)性全鏈條的科學(xué)技術(shù)和工程問題，要用一種系統(tǒng)性的思維去思考問題，才能全面地解決問題。

 

2020年12月，周寶文回到了祖國，擔(dān)任上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院的長聘教軌副教授。“上海交通大學(xué)是我非常向往的一所學(xué)校，因為這所學(xué)校是中日甲午戰(zhàn)爭戰(zhàn)敗后為民族復(fù)興而生的學(xué)校，自建校以來為國家培養(yǎng)了無數(shù)的人才。再加上新能源動力研究所和我的研究方向高度吻合；上海這座城市也極具魅力，所以我選擇了上海交通大學(xué)。”周寶文頗為興奮地說道。

 

在當(dāng)前“碳達(dá)峰、碳中和”的國家戰(zhàn)略背景下，周寶文有著深思熟慮的研究計劃：一是開發(fā)新一代的人工光合作用集成器件，二是以水、二氧化碳和生物質(zhì)等可再生碳?xì)滟Y源為化石能源的理想替代，以太陽能為動力，開發(fā)綠色、高效、穩(wěn)定的綠氫、太陽能燃料和生物質(zhì)燃料技術(shù)，解決束縛“碳中和經(jīng)濟(jì)”的瓶頸。

 

目前，周寶文正主講一門上海交通大學(xué)研究生前沿課程“可再生合成燃料和碳中和動力技術(shù)前沿”；主持建設(shè)一門本科生專業(yè)選修課程“氫能技術(shù)與應(yīng)用”。作為2022級本科新生班主任及碩士和博士研究生導(dǎo)師，他對于學(xué)生的培養(yǎng)，有著獨立的見解。他認(rèn)為創(chuàng)新是人類進(jìn)步的動力，所以要致力把學(xué)生培養(yǎng)成具有創(chuàng)新活力的人，只有守正創(chuàng)新才能走出一條獨一無二的科研道路。“希望在3到5年內(nèi)，把自己的團(tuán)隊搭建成型，建立自己的學(xué)術(shù)特色，在面向碳中和未來的能源動力解決方案研究領(lǐng)域，作出自己的貢獻(xiàn)。”周寶文笑著說道。他對未來充滿了信心。

 

責(zé)編 | 黃雪霜