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)了嚴重的生態(tài)環(huán)境危機。目前，科學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。

 

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反應仍然是人工光合作用合成太陽能燃料和化學品懸而未決的三大難題。來自上海交通大學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域，通過化學、物理、材料和工程熱物理等學科的交叉研究，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于我國的能源系統(tǒng)乃至經(jīng)濟社會。

 

與二氧化碳相遇

 

周寶文開始從事二氧化碳相關的研究是在他碩士畢業(yè)之后。2013年，周寶文從中國科學院廣州化學研究所碩士畢業(yè)，進入中國科學院化學研究所攻讀博士學位，他的導師是韓布興院士。“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。他帶領團隊不斷耕耘，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)常來得比學生早，走得比學生晚。從這樣的小細節(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。

 

“我在完成博士學業(yè)之后，已經(jīng)堅定了從事學術研究的想法，出國的根本動力是想開闊視野，了解國際上最前沿的研究，加強與其他國家科學家的交流，學習新的知識。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，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）之間存在嚴重的界面缺陷，化學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不相容。因此，電子傳輸阻力大，嚴重地影響了器件的制氫性能。

 

為此，周寶文與合作者在導師米澤田（Zetian Mi）教授的指導下，通過先進的分子束外延技術和可控的電化學沉積技術在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孔祥華博士（現(xiàn)任職于深圳大學物理與光電工程學院）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體到催化劑高效轉(zhuǎn)移這一關鍵挑戰(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的博士后工作，來到美國密歇根大學安娜堡分校繼續(xù)從事相關研究。在此期間，周寶文首次通過GaN納米線/Si半導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?反應動力學遲緩，路徑復雜，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、運輸和燃燒的基礎設施完善。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，由中國科學院、中國工程院主辦，中國科學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;進展”將此項工作譽為“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)外同行的廣泛關注和高度肯定。

 

這項工作甫一發(fā)表，《科學》（Science）就對其做了長篇報道，將其譽為“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微的變化。他說：“我早期進入這個領域的時候，更多的是偏向于從化學的原理去探索如何把太陽能轉(zhuǎn)換成為化學能的科學問題。到博士后階段的時候，我更偏向從電氣工程、半導體器件、能源動力等方向去思考太陽能的轉(zhuǎn)化與利用，特別關注將其與可再生碳氫資源加工相結(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科的問題，更是一個系統(tǒng)性全鏈條的科學技術和工程問題，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，擔任上海交通大學機械與動力工程學院的長聘教軌副教授。“上海交通大學是我非常向往的一所學校，因為這所學校是中日甲午戰(zhàn)爭戰(zhàn)敗后為民族復興而生的學校，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。”周寶文頗為興奮地說道。

 

在當前“碳達峰、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)等可再生碳氫資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，解決束縛“碳中和經(jīng)濟”的瓶頸。

 

目前，周寶文正主講一門上海交通大學研究生前沿課程“可再生合成燃料和碳中和動力技術前沿”；主持建設一門本科生專業(yè)選修課程“氫能技術與應用”。作為2022級本科新生班主任及碩士和博士研究生導師，他對于學生的培養(yǎng)，有著獨立的見解。他認為創(chuàng)新是人類進步的動力，所以要致力把學生培養(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)，把自己的團隊搭建成型，建立自己的學術特色，在面向碳中和未來的能源動力解決方案研究領域，作出自己的貢獻。”周寶文笑著說道。他對未來充滿了信心。

 

責編 | 黃雪霜