撰文｜朱禾
責(zé)編｜張冰姿
兩年前，復(fù)旦大學(xué)趙東元教授用裝教案的布袋拎回了國家自然科學(xué)獎一等獎證書，“布袋院士”的形象火遍全網(wǎng)。最近，這位“布袋院士”又一次登上微博熱搜榜。5月26日，2022年度上海市科學(xué)技術(shù)獎?wù)筋C發(fā)，趙東元教授是其中含金量最高的“科技功臣獎”的唯一獲得者。有趣的是，在此前召開的媒體發(fā)布會上，“布袋院士”卻提前離席，一溜小跑，因為他要趕去給本科生上《普通化學(xué)》課……
趙東元院士（圖片來源：趙東元課題組）
趙東元教授是中國科學(xué)院院士，現(xiàn)任教于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)和材料學(xué)院。他于1990年獲得吉林大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位，至今一直從事多孔材料和分子篩的合成和結(jié)構(gòu)研究。2021年，他的團(tuán)隊因其在介孔材料方面的突出貢獻(xiàn)獲得了國家自然科學(xué)一等獎。他們采用有機(jī)-有機(jī)分子自組裝方法，合成出了有序介孔有機(jī)高分子和介孔碳材料。這個工作發(fā)表于2005年，至今已經(jīng)催生出一個擁有四萬多篇論文的充滿活力的新研究領(lǐng)域。十多年來，趙東元教授團(tuán)隊創(chuàng)造出了20余種新型功能介孔材料，全部以FDU（復(fù)旦大學(xué)）命名。
近期，《國家科學(xué)評論》（NSR）采訪了趙東元，就功能介孔材料在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用以及科研與教育等問題，與趙東元教授進(jìn)行了交流。
30年，從有突破性的論文到技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化
NSR：趙老師，感謝您抽出時間接受采訪。首先，您能簡要描述一下什么是介孔材料嗎？
趙東元：在介紹介孔材料之前，我們首先應(yīng)該提到納米材料，它的發(fā)展始于21世紀(jì)初。納米材料具有表面效應(yīng)、微觀性質(zhì)和宏觀量子隧道效應(yīng)。而多孔材料是具有相互連通或相互隔離的孔隙的框架結(jié)構(gòu)，孔隙中可以填充液體或氣體。多孔材料通常具有大的表面積和互聯(lián)的通道，用于物質(zhì)的傳輸和擴(kuò)散。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的定義，介孔材料的孔徑處于2納米到50納米之間。小于2納米的孔稱為微孔；大于50納米的孔稱為大孔。介孔范圍內(nèi)的孔結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生非凡的效應(yīng)。例如，厚度小于20納米的孔壁和長度小于100納米的通道可能顯著縮短電子和離子的傳輸距離。這可能極大地增強(qiáng)水分解反應(yīng)和儲能設(shè)備（如電池超級電容器）的效率。
NSR:您是怎樣開始研究這個課題的？
趙東元：我在吉林大學(xué)攻讀研究生時主修物理化學(xué)催化，我的博士論文是層柱分子篩的合成。1992年，美孚石油公司發(fā)現(xiàn)了有序介孔材料，并在《自然》和《美國化學(xué)學(xué)會雜志》（JACS）上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。我看到了我的工作與這一發(fā)現(xiàn)的相似之處，意識到我的工作非常接近一個突破性的發(fā)現(xiàn)。受美孚公司這一發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，我將當(dāng)時的短期目標(biāo)定為在JACS上發(fā)表一篇具有突破性的論文。1993年，我在以色列開始了功能介孔材料的研究，并在1995年發(fā)表了第一篇相關(guān)主題的論文，被同行廣泛關(guān)注。幾年后，我達(dá)到并超越了當(dāng)時定下的那個短期目標(biāo)。到現(xiàn)在，我從事這方面的研究工作已經(jīng)快30年了。
介孔碳材料掃描電鏡照片示例（圖片來源：趙東元課題組）
NSR:您能簡要描述一下有機(jī)介孔材料的合成方法嗎？
趙東元：介孔材料一直都以無機(jī)組成為主，有機(jī)介孔材料當(dāng)時還鮮為人報道。自然界有機(jī)多孔材料往往在空氣、水珠界面形成，無法控制其孔徑。2000年初我們就設(shè)想創(chuàng)制一類有機(jī)介孔材料。我們使用一種稱為“軟模板”的方法。首先在溶液中將用于構(gòu)筑有機(jī)高分子材料的前驅(qū)體與兩親性表面活性劑模板混合。反應(yīng)完成后，把表面活性劑模板去除，剩下的就是多孔材料。其中的關(guān)鍵步驟是有機(jī)高分子單體與兩親性表面活性劑分子之間的相互作用，即有機(jī)-有機(jī)相互作用。通過精準(zhǔn)控制這一步驟，我們就可以獲得各種尺寸和形狀的孔結(jié)構(gòu)。所以我們提出了通過氫鍵、雙重氫鍵、極性范德華相互作用等來調(diào)節(jié)有機(jī)-有機(jī)相互作用。最初，我們在選擇適合聚合的高分子單體時遇到了一些困難，因為有太多有機(jī)分子可供選擇。后來我們意識到，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注能夠形成共價鍵網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定的高分子材料，如酚/甲醛樹脂等。這樣我們巧妙地簡化制備過程，先組裝，后聚合。那么，這個反應(yīng)過程就可以簡單地通過加熱來引發(fā)，成功地合成介孔高分子樹脂材料，碳化后得到最穩(wěn)定的介孔碳分子篩。
NSR:介孔材料在能源相關(guān)領(lǐng)域有什么應(yīng)用？
趙東元：一個主要的應(yīng)用是，用介孔材料作為石油精煉中的催化劑載體。介孔材料具有孔大且均勻、表面積高等優(yōu)點(diǎn)。因此，可以用作原油（分子特別大）的分子篩。我們目前正在和中石化合作，推進(jìn)這些材料在煉油工業(yè)中的商業(yè)化。另一個重要的應(yīng)用是，制造電池負(fù)極材料。傳統(tǒng)的負(fù)極材料是石墨，由于缺乏孔隙率，電子傳輸相對較慢�，F(xiàn)在我們團(tuán)隊正在開發(fā)具有介孔結(jié)構(gòu)的碳/硅復(fù)合材料作為新型的負(fù)極材料。這項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)在進(jìn)行中，工廠選址已經(jīng)完成，我們的目標(biāo)是建立最先進(jìn)的介孔碳硅負(fù)極材料平臺。其他的應(yīng)用還包括電容器和水分解反應(yīng)催化劑等。
如果我們能革命性地改變電池技術(shù)，就能改變世界
NSR:介孔材料為什么在清潔能源和氣候變化方面如此重要？
趙東元：我們都知道中國設(shè)定的雙碳目標(biāo)：在2030年達(dá)到碳排放峰值，在2060年實現(xiàn)碳中和。選擇這兩個時間點(diǎn)，是因為在可預(yù)見的未來我們必須依賴化石燃料作為我們的主要能源來源。化石燃料包括天然氣、石油和煤。以這些原料為基礎(chǔ)，我們建立了強(qiáng)大且經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施來發(fā)電和驅(qū)動交通，但我們付出的代價就是二氧化碳排放。1噸煤燃燒產(chǎn)生3.7噸二氧化碳。不斷增加的二氧化碳在大氣中引起溫室效應(yīng)并加劇了全球變暖。此外，從化學(xué)家的角度來看，碳是生命的基礎(chǔ)，構(gòu)成生物骨架。地球上的所有碳都需要循環(huán)利用。如果碳只向一個方向流動，從地下流向大氣層，最終我們將耗盡生命。我們?nèi)绾尾蹲娇諝庵械亩趸疾⑺厥帐且粋�難題，主要不是在科學(xué)原理方面，而是在實現(xiàn)規(guī)�；矫嫒狈嵱梅椒�。當(dāng)前一個提議是吸收二氧化碳，然后壓縮并注入地下。介孔材料可能是這個過程中的良好吸附劑，因為它們的大表面積可以高密度存儲純二氧化碳。這是一個物理過程，因為二氧化碳與其他物質(zhì)之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以這個過程可能具有高效性。例如，介孔分子篩和金屬有機(jī)框架（MOF）就可用于這個目的。
中石化采用趙東元課題組技術(shù)建成的石油精餾塔（圖片來源：趙東元課題組）
NSR:對于碳捕獲，使用有機(jī)和無機(jī)介孔材料有什么區(qū)別？
趙東元：主要區(qū)別在于，無機(jī)材料更容易吸收二氧化碳，因為它們更相似。目前最好的選擇是MOF和碳納米管。
NSR:電池是另一個熱門話題。隨著電動汽車在全球范圍內(nèi)越來越受歡迎，電動汽車車主經(jīng)常抱怨他們的電池容量低、壽命短。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，為什么電池技術(shù)仍然不夠完善？
趙東元：首先，我們今天擁有的電池比以前已經(jīng)好了幾個數(shù)量級，但人們的期望值也更高了。例如，早期的電動汽車是奢侈品，主要用于休閑，因此它們不必具有與汽油車可比的續(xù)航里程。而現(xiàn)在它們已經(jīng)成為了家庭日常使用的汽車，所以人們就會更關(guān)注充電時間太長、續(xù)航里程不足和壽命短，這些導(dǎo)致高成本的負(fù)面因素。要解決這些問題，我認(rèn)為首先需要重新思考電化學(xué)的基本原理。盡管我們?nèi)〉昧撕芏噙M(jìn)展，但電池的基本結(jié)構(gòu)自發(fā)明以來并沒有發(fā)生太大變化。為了更好地滿足當(dāng)今的需求，我們需要設(shè)計新的電池結(jié)構(gòu)和新的電化學(xué)過程。如果這些沒有根本性變革，電動汽車就很難取代汽油車。其次，為了解決壽命問題，我們需要關(guān)注電池內(nèi)部退化的問題。我們正在探索很多新材料，特別是負(fù)極材料。我們的目標(biāo)是實現(xiàn)至少1000次充電循環(huán)，續(xù)航里程在500至800公里之間。
我經(jīng)常參與《國家科學(xué)評論》很多關(guān)于電池相關(guān)論文的評審工作，經(jīng)常建議作者強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新原理。如果一篇論文提出了一個新原理，即使它目前看來并不實用，但如果有可能會激發(fā)其他人的新思路，我就認(rèn)為這是一篇好論文。相反，如果某種材料得出了更好的實驗結(jié)果，但是作者沒有或無法解釋原因，我一般會認(rèn)為它的發(fā)表價值不大，因為這種材料難以工業(yè)化。要實現(xiàn)電池技術(shù)上的突破，很可能需要整整一代研究人員的不懈努力。
NSR:接下來我們轉(zhuǎn)向太陽能。首先，光是如何轉(zhuǎn)化為電能的？多孔材料在這個過程中的作用是什么？
趙東元：光可以被視為電磁波或粒子。作為粒子(或光子)，它的能量可以被半導(dǎo)體中的電子吸收并在晶格中移動，形成一個電子-空穴對。隨著電子和空穴的傳輸和積累，它們會產(chǎn)生電壓和電流，如果電路閉合，就會產(chǎn)生電能。介孔材料是優(yōu)秀的光催化劑，因為它可以提供更大的表面來接觸光線，因此使得光伏過程的效率更高。眾所周知，光伏過程的一個主要問題是間歇性，因此它不是一種可靠的能源來源。為了解決這個問題，我們可以在光伏過程之后加上一個電解水過程。當(dāng)電能轉(zhuǎn)化為氫氣或液態(tài)氫時，它可以更方便地存儲和運(yùn)輸。在電解水過程中，介孔半導(dǎo)體具有更高的太陽能轉(zhuǎn)換效率，因為它們具有不同的電子帶屬性。
NSR:正如您之前解釋的那樣，電池技術(shù)仍然不是一個很好的選擇，因此我們考慮使用氫氣作為儲存介質(zhì)。這個解決方案在現(xiàn)實中如何實施？
趙東元：近年來，光伏產(chǎn)業(yè)得到了大量投資。關(guān)于如何將它轉(zhuǎn)化為“液態(tài)陽光”，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的李燦教授目前領(lǐng)導(dǎo)著一個企業(yè)，在寧夏建立了一條完整的供應(yīng)鏈，目標(biāo)是實現(xiàn)光伏氫能的商業(yè)化。另一方面，我們今天所依賴的全球石油供應(yīng)鏈已經(jīng)有一個多世紀(jì)的歷史，包括油田、煉油廠和加油站。與此相比，清潔能源或可再生能源的基礎(chǔ)設(shè)施仍處于早期階段。我們離能夠擺脫化石燃料的轉(zhuǎn)折點(diǎn)還很遠(yuǎn)。在我看來，達(dá)到這個轉(zhuǎn)折點(diǎn)的唯一途徑是在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)協(xié)同一致的解決方案。我們可以建立一個較小的模型作為概念驗證，但要使其商業(yè)化，我們必須協(xié)同行動。
由超級電容器供能的上海城市公交（圖片來源：趙東元課題組）
正如我之前提到的，碳中和和碳捕捉是兩個主要組成部分。如果全世界能夠達(dá)到碳中和，如果我們可以通過大規(guī)模的碳捕捉來減少已經(jīng)存在于大氣中的過量二氧化碳，我們就有可能對氣候變化產(chǎn)生積極影響。對于科學(xué)家來說，如果我們能夠革命性地改變電池技術(shù)，如果我們能夠普及“液體陽光”，如果我們能夠破解人工光合作用，我們就有可能改變世界。因此，我非常支持對電化學(xué)和光化學(xué)過程的基礎(chǔ)科學(xué)研究。
NSR:下一個話題是超級電容器。它是什么，與電池有何不同？
趙東元：電荷在超級電容器中被累積儲存，沒有發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。在電池中，離子接收電子并形成原子時，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在超級電容器中，電子只是簡單地移動和積累，它的好處是充電和放電很快，缺點(diǎn)是容量遠(yuǎn)低于電池。功能介孔材料在這里的優(yōu)勢仍然在于它的大表面積允許累積更多的電荷。在電動汽車中，超級電容器可以與電池一起運(yùn)行，來達(dá)到節(jié)能并提高性能的目的。在減速和剎車時，動能可以轉(zhuǎn)化為電能并暫時存儲在超級電容器中；當(dāng)車輛重新啟動時，需要更大的加速度，超級電容器可以釋放額外的能量來補(bǔ)償電池的放電。這種操作模式在公共交通中特別有優(yōu)勢，因為這類應(yīng)用場景需要頻繁的起停，但對續(xù)航里程的要求并不高。上海的奧威科技公司致力于制造基于超級電容器的城市公交車，也是國家車用超級電容器系統(tǒng)工程研究中心的依托單位。他們還將這種技術(shù)用于地鐵列車。我們團(tuán)隊已經(jīng)成功地把這個技術(shù)應(yīng)用于北京奧林匹克中心的路燈和上海世博會的穿梭巴士。這些超級電容器都是用介孔材料做的。
趙東元教授給本科生上普通化學(xué)課（圖片來源：復(fù)旦大學(xué)）
“卡脖子”的根源是什么？
NSR:近年來，基礎(chǔ)科學(xué)研究備受關(guān)注，但媒體和研究人員經(jīng)常強(qiáng)調(diào)應(yīng)用。您對此有何看法？
趙東元：我們經(jīng)常聽到科學(xué)或技術(shù)領(lǐng)域中“卡脖子”的新聞報道。由于技術(shù)創(chuàng)新不足，我們的工業(yè)中存在許多“卡脖子”的現(xiàn)象。在我看來，缺乏創(chuàng)新的原因是我們沒有充分普及科學(xué)精神�？茖W(xué)精神的核心是質(zhì)疑精神，始終問“為什么”，用邏輯和證據(jù)探索新知識。我們的社會有充足的人力和財富進(jìn)行基礎(chǔ)研究和發(fā)現(xiàn)，但我們?nèi)狈σ粋�“提出問題-建立知識系統(tǒng)-回答問題”的文化�？茖W(xué)研究的動力應(yīng)該是為了系統(tǒng)地發(fā)現(xiàn)新知識，而不是為了任何物質(zhì)利益。
我是一名化學(xué)家，我就以化學(xué)為例�；瘜W(xué)在煉金術(shù)、煉丹術(shù)中存在了很長時間。當(dāng)人們以獲取黃金為目的時，它就不是科學(xué)。1661年，當(dāng)羅伯特波義耳（Robert Boyle）寫下第一本化學(xué)“教科書”，并開始研究物質(zhì)的本質(zhì)和物質(zhì)的變化時，化學(xué)才成為了一門科學(xué)。因此，為了推動科學(xué)的發(fā)展，我們應(yīng)該淡化物質(zhì)利益和功利，而專注于提出問題和回答問題。
以財富為目的的教育不可能培養(yǎng)出下一代的創(chuàng)新人才。趙東元
趙東元課題組成員合影（圖片來源：趙東元課題組）
NSR:下一個問題是關(guān)于教育的。除了科研工作，您每年還會為本科生授課。您為什么如此重視本科生教育？
趙東元：作為一名大學(xué)老師，我的職責(zé)是創(chuàng)造知識和傳播知識�；A(chǔ)科學(xué)研究是我創(chuàng)造新知識的方式，教學(xué)是我傳播知識的方式。每個老師都可以傳授教科書中的內(nèi)容，但我認(rèn)為我還可以向?qū)W生展示創(chuàng)新科學(xué)精神，還可以教會同學(xué)們理性的創(chuàng)新思維和邏輯演繹方法。我剛才提到，缺乏創(chuàng)新會導(dǎo)致科學(xué)技術(shù)中的“卡脖子”問題。以財富為目的的教育不可能培養(yǎng)出下一代優(yōu)秀的創(chuàng)新人才。我希望學(xué)生淡化財富，揚(yáng)棄功利主義，關(guān)注科學(xué)前沿。在這方面，我認(rèn)為我可以做出更大的貢獻(xiàn)，因為我一直在推進(jìn)我的研究前沿。如果我們希望解決一些“卡脖子”問題，下一代科學(xué)家必須具有創(chuàng)新精神。
NSR:近年來，我們看到許多新興的交叉學(xué)科，材料科學(xué)就是一個很好的例子。當(dāng)學(xué)生選擇與此相關(guān)的本科或研究生專業(yè)時，他們可能會看到三個選項：物理、化學(xué)和材料科學(xué)。您能給他們提點(diǎn)建議嗎？
趙東元：20世紀(jì)是量子力學(xué)的世紀(jì)，現(xiàn)在我們已經(jīng)基本有了一個相當(dāng)成熟的科學(xué)框架，所以21世紀(jì)是小修小補(bǔ)的世紀(jì)。在這個環(huán)境中，科學(xué)領(lǐng)域的分類變得越來越復(fù)雜。很多領(lǐng)域之間的界限是人為定義的。在我看來，這可能會適得其反�？茖W(xué)要自由發(fā)展，就必須打破這些界限。很多科學(xué)突破都出現(xiàn)在不同領(lǐng)域之間的邊界上。材料科學(xué)本質(zhì)上是物理和化學(xué)之間的交叉學(xué)科，它在幾十年前才出現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)成長為一個龐大而高度活躍的物質(zhì)科學(xué)研究領(lǐng)域。自古以來，社會的進(jìn)步可以通過材料的進(jìn)步來衡量。因此，如果一個學(xué)生的興趣是科技前沿，我會推薦材料科學(xué)作為研究生專業(yè)。如果是高中生選擇本科專業(yè)來打基礎(chǔ)，我會推薦化學(xué)專業(yè)。
英文原文：
Functional mesoporous materials in clean energy: an interview with Dongyuan Zhao
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad062
