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原標題：邁向碳中和｜北工大環(huán)境與生命學(xué)部李建榮教授團隊：面向環(huán)境能源應(yīng)用氫氣檢測儀，材料化工夯實基礎(chǔ)久久為功

為達到碳中和目標，特別是從源頭上控制碳排放及相關(guān)污染，需要技術(shù)革新發(fā)展有效碳捕獲技術(shù)、促成能源供給格局轉(zhuǎn)變、實現(xiàn)化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程綠色化等。在諸多方面，材料是技術(shù)的基礎(chǔ)，材料的創(chuàng)新發(fā)展推動技術(shù)的進步。其中，化工新材料開發(fā)在碳中和實踐中扮演著舉足輕重的角色。過去十多年里，環(huán)境與生命學(xué)部李建榮教授團隊一直致力于新型金屬-有機多孔材料的創(chuàng)制與面向環(huán)境能源及食品安全的應(yīng)用探索研究，取得了良好的進展，為碳中和相關(guān)科學(xué)技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

創(chuàng)新碳捕獲與轉(zhuǎn)化材料科學(xué)助力二氧化碳減排技術(shù)

有效捕獲二氧化碳并安全封存或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為其它高附加值產(chǎn)品，是實現(xiàn)碳中和的兜底手段。二氧化碳的主要工業(yè)排放來自化石燃料發(fā)電、鋼鐵冶煉、水泥制造等。針對這些場景，開發(fā)吸附容量大、選擇性高的材料并推動相關(guān)捕獲技術(shù)的發(fā)展是實現(xiàn)二氧化碳減排的重要途徑。在二氧化碳捕獲新材料的設(shè)計上二氧化碳，團隊創(chuàng)新地提出一個孔籠專一吸附一個二氧化碳分子的“單分子阱”概念，設(shè)計制備出系列專一高效的新型“分子阱”吸附材料（Nature Commun. 2013, 1538），碳捕獲性能優(yōu)異。該工作為碳捕獲材料設(shè)計提供了新思路和理論指導(dǎo)，受到國內(nèi)外同行的普遍關(guān)注，沃爾夫化學(xué)獎獲得者，美國科學(xué)院院士O. M. Yaghi教授在《自然》子刊Nature Energy上點評，認為“單分子阱”是二氧化碳捕獲的完美分子口袋，是設(shè)計碳捕獲材料的良好策略，極具前瞻性。結(jié)合理論計算與實驗，團隊設(shè)計制備出多種具有良好二氧化碳吸附分離功效的其他新吸附材料，揭示了構(gòu)性關(guān)系和分離機制，發(fā)表了系列論文和專利，并應(yīng)邀為化學(xué)化工領(lǐng)域頂極評論期刊CheETal Reviews撰寫題名為“CO? Capture and Separations Using MOFs: Computational and Experimental Studies”的專題綜述（Chem. Rev. 2017, 9674）。另一方面，將二氧化碳催化轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇、乙醇等燃料或甲酸、乙烯、聚合物等化工原料或精細化學(xué)品有望變廢為寶。團隊在構(gòu)性機理剖析基礎(chǔ)上設(shè)計制備了系列新型多孔光催化劑，借助光能等降低反應(yīng)活化能，實現(xiàn)了二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Green Chem. Eng., Appl. Catal. B: Environ., Chem. Eng. J.等期刊上，并申請了專利。

開發(fā)能源革新相關(guān)新材料

支撐清潔能源新技術(shù)發(fā)展

實現(xiàn)碳中和目標，需逐漸減少煤、石油等傳統(tǒng)化石能源的使用，大力發(fā)展氫能等清潔能源。在此背景下煤氣檢測儀，清潔能源應(yīng)用相關(guān)材料的研發(fā)具有重要意義。質(zhì)子交換膜是氫燃料電池中的關(guān)鍵組成部分，但目前商用膜材料存在性能易受環(huán)境影響的問題。團隊創(chuàng)新地提出“自適應(yīng)”機理，為設(shè)計開發(fā)新型先進質(zhì)子導(dǎo)電材料提供了新思路和理論指導(dǎo)。設(shè)計制備的一種具有柔性結(jié)構(gòu)的金屬-有機多孔材料質(zhì)子導(dǎo)電率高達0.127 S/cm，且該材料的質(zhì)子導(dǎo)電率受溫度和濕度的影響較其他材料小很多二氧化碳，具有實用價值。相關(guān)結(jié)果以封面文章發(fā)表在《自然》子刊Nature Energy（2017, 877）上。國際知名專家G. Shimizu教授在該期刊進行了專題評論，認為該工作“不但實現(xiàn)了一個材料的高質(zhì)子導(dǎo)電，而且闡明了一個基本概念”。另一方面，光電化學(xué)分解水技術(shù)為生產(chǎn)清潔且可再生的氫能提供了新途徑，但提高光電轉(zhuǎn)換效率仍極具挑戰(zhàn)。利用金屬-有機多孔材料的可誘導(dǎo)生長的特性，制備出系列復(fù)合材料，對光電分解水反應(yīng)表現(xiàn)出良好的催化活性和穩(wěn)定性，揭示了構(gòu)性機理，也證實這些具有多級結(jié)構(gòu)的復(fù)合物作為電容材料在儲能應(yīng)用上較粉體無序電極材料具有顯著優(yōu)勢，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在J. Mater. Chem. A, ACS Energy Lett., Adv. Energy Mater., Small, Appl. Catal. B: Environ.等期刊上。這些研究為新能源的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)和材料支撐。

使用新材料介質(zhì)強化過程

深耕化工過程綠色化降能耗

基于新材料介質(zhì)的使用進行化工過程強化，能夠極大降低能耗并實現(xiàn)過程綠色化，降低碳排放，保護環(huán)境。分離是化學(xué)產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，蒸餾、萃取等傳統(tǒng)分離技術(shù)普遍存在能耗高的問題。據(jù)統(tǒng)計，全球每年工業(yè)分離過程所消耗能量占全球總能量消耗的10%~15%。發(fā)展先進綠色分離技術(shù)，在生產(chǎn)燃料、塑料等大宗產(chǎn)品的過程中節(jié)約能耗，有助于緩解全球的能源緊張局勢，降低污染，減少二氧化碳排放。吸附分離和膜分離在很多分離體系中相對其他技術(shù)更節(jié)能高效，而這兩種技術(shù)的核心是吸附材料和膜材料的選擇。基于分子化學(xué)工程理念，團隊篩選/創(chuàng)制出系列金屬-有機多孔材料，用于乙烯和乙炔、丙烯和丙炔、丙烯和丙烷等低碳烴的吸附分離，功效良好，并研究了材料構(gòu)效關(guān)系和吸附分離機理，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Chem. Commun.等上并申請了專利。應(yīng)邀撰寫了多篇主題為“MOFs for Separations”的綜述文章（Chem. Rev. 2013, 8261, Chem. Rev. 2012, 869, Chem. Soc. Rev. 2009, 1477），受到廣泛關(guān)注，推動了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

在膜分離方面，基于“金屬配位誘導(dǎo)”原理，提出了基于金屬-有機多孔材料的雜化膜和晶態(tài)薄膜的制備新方法，實現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)和性能的有效調(diào)控，解決了雜化膜中多相易團聚和兼容性差的科學(xué)難題，制備出多種高性能分離膜，極具應(yīng)用前景。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angew. Chem., Adv. Mater.等期刊上。這些研究工作為綠色分離技術(shù)的發(fā)展提供了新材料支撐，并奠定了理論基礎(chǔ)。另一方面，新型非均相催化劑用于精細化學(xué)品合成，能夠提高催化效率，降低能耗，甚至改變工藝使過程更加綠色。金屬-有機多孔材料孔表面易進行分子層次的設(shè)計，進而引入各種催化活性點，是理想的催化劑。團隊設(shè)計制備了系列這類催化劑，對重要精細化學(xué)品制備相關(guān)的環(huán)烷烴鹵化反應(yīng)（J. Am. Chem. Soc. 2017, 211）、酯化反應(yīng)（Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 8388）、Heck反應(yīng)（ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 2103）、醛加氫反應(yīng)（ChemSusChem 2020, 205）、碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)（J. Am. Chem. Soc. 2020, 13491）等表現(xiàn)出高效且穩(wěn)定的催化性能，極具應(yīng)用價值。

著力污染物檢測與去除

發(fā)展環(huán)境保護

與食品安全技術(shù)

一些有毒有害有機物進入環(huán)境或食物鏈中，對環(huán)境和人類產(chǎn)生極大危害。研究有機污染物檢測與去除意義重大，開發(fā)新材料并發(fā)展相關(guān)技術(shù)一直受到普遍關(guān)注。例如，常見的揮發(fā)性有機化合物（VOC，如苯等）是大氣污染的主要元兇之一。團隊系統(tǒng)地評價了金屬-有機多孔材料對苯系物的吸附去除功效，揭示了結(jié)構(gòu)性能關(guān)系并闡明了吸附機制，進而設(shè)計合成了幾種新材料，對空氣中痕量苯系物表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附去除性能，綜合吸附能力優(yōu)于已有報道的所有吸附劑，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Cell姊妹刊Chem上（Chem 2018, 1911）。近期，也開展了臭氧降解去除的相關(guān)研究，取得了一些有意義的結(jié)果，可望助解臭氧防控這一“十四五”大氣環(huán)境治理的新難題。這些研究結(jié)果對相關(guān)基礎(chǔ)研究具有借鑒指導(dǎo)意義，發(fā)展的新材料與技術(shù)在大氣污染防控中具有潛在應(yīng)用價值。另一方面，我國水污染問題也很嚴重。團隊篩選并設(shè)計合成了多種高穩(wěn)定金屬-有機多孔材料，用于水中有機污染物檢測與去除，性能優(yōu)異。例如，設(shè)計制備的BUT-12和BUT-13對水中抗生素分子具有很好的熒光檢測和吸附去除能力（J. Am. Chem. Soc. 2016, 6204，他引800余次，多次入選ESI全球TOP 0.1%熱點論文）。這一工作開拓了這類新材料在污水處理中的應(yīng)用探索。此外，也設(shè)計構(gòu)筑出一種具有合適孔尺寸的金屬-有機多孔材料，對號稱“世紀之毒”的二噁英表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性吸附和熒光檢測能力，具有潛在應(yīng)用價值（Nature Commun. 2019, 3861）。還制備了可變色的金屬-有機多孔材料，可快速高效且具有選擇性地檢測和吸附去除水中的有機胺分子。有機污染物也容易進入食物鏈，導(dǎo)致食品安全問題。團隊設(shè)計合成的多種金屬-有機多孔材料可有效地檢測或去除食品中可能存在的獸藥、飼料添加劑、瘦肉精、有機砷藥物分子等二氧化碳，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在J. Hazard. Mater., Environ. Sci. Nano等期刊上。也就相關(guān)主題在CheETal Reviews上發(fā)表了題名為“MOFs for Food Safety”的綜述文章（Chem. Rev. 2019, 10638）。

未來，團隊將繼續(xù)圍繞綠色、節(jié)能、低碳、環(huán)保深入探索并開發(fā)新材料、優(yōu)化性能、強化過程、推進其應(yīng)用。夯實基礎(chǔ)，守正篤新，久久為功，為國家早日實現(xiàn)碳達峰、碳中和宏偉目標貢獻綿薄之力。

團隊部分師生合影

團隊部分獲獎證書

李建榮教授獲“亞洲杰出科研工作者和工程師獎”

李建榮教授2017-2020年

入選科睿唯安“全球高被引學(xué)者”

Nature Energy, JACS, Small期刊封面論文

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