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陈晨:探寻纳米材料的“贤者之石”
——记2019年度国家杰出青年科学基金获得者、清华大学化学系副教授陈晨

作者:杜月娇    发布时间:2019-11-10

导读:  人们知道物质的转变是可能的,但有时却是极其缓慢的。在西方古时炼金术的传说中,“贤者之石”是万物的催化剂,是至纯的绝对物质,能够很快将非贵金属变成贵金属(例如黄金)。催化剂就是化学领域的“贤者之石”,在纳米催化材料的设计合成和应用研究中,陈晨就像一位寻找“贤者之石”的魔法师,不断探索前行,用科学的力量揭开这一研究领域的神秘面纱。

  人类科技文明迅速发展,新型材料的制备和应用逐渐成为产业升级的重要支撑。在这一背景下,纳米材料腾空出世,并成为如今科研界炙手可热的研究对象。
  到底纳米材料有何独特之处?事实上,尽管纳米材料与普通的常规材料一样由同样的原子组成,但这些原子的排列方式变了,纳米级的结构单元组成这类新材料。材料到了纳米级后,结构的理化性能就会发生根本性的质变,造就和引发体相材料所不具备的奇异功能和反常特性,成为新一代功能材料。近些年来,纳米材料在力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等方面的诱人特性,使其在国防、电子、冶金、航空等领域产生了极大应用。
  随着纳米材料的发展,将其应用于催化领域的研究和实践也得到改善和发展,纳米催化剂也成为了推动化学工业发展的重要科研领域,与许多工业门类的发展息息相关。加强纳米催化剂的基础研究,不但对提高我国工业经济的发展水平具有重要作用,并且对于推动我国实现低碳绿色发展,走上可持续发展有重要意义。
  人们知道物质的转变是可能的,但有时却是极其缓慢的。在西方古时炼金术的传说中,“贤者之石”是万物的催化剂,是至纯的绝对物质,能够很快将非贵金属变成贵金属(例如黄金)。催化剂就是化学领域的“贤者之石”,通过对催化剂进行纳米乃至原子尺度的调控,可以发现催化材料特殊的性质,甚至能够催化一些以往难以发生的化学反应。在纳米催化材料的设计合成和应用研究中,他就像一位寻找“贤者之石”的魔法师,不断探索前行,用科学的力量揭开这一研究领域的神秘面纱。
  
打破未知,走进纳米材料世界
  中学时代陈晨对纳米技术的理解,大多来自网络的科普。虽然,那时候的他对这一领域研究的认识并不是特别深刻,但是他却在科技进步大潮中,意识到了纳米技术在未来科研界的发展前景,并决心投身这一领域,展开更加深入的学习。
  2002年,陈晨顺利考入北京理工大学应用化学专业(纳米技术方向)。在这一阶段,陈晨感受到国内科研界在纳米科技领域的巨大发展潜能,特别是白春礼、李亚栋等科研学者,在纳米科技领域做出了许多优秀的科研成果,在国内外相关领域内产生了广泛的科研影响,为我国这一领域发展奠定了坚实基础。以他们为榜样,陈晨在大学四年的时间里,不断汲取相关专业营养,并坚定了自己内心科研方向的选择。
  2006年—2011年,陈晨顺利进入清华大学化学系,进行硕博连读。在这期间,他还于2010年—2011年前往美国加州大学伯克利分校化学系进行联合培养。这一阶段,他将主要研究方向放在纳米材料以及无机材料的设计、合成领域中,并开展下游应用,在不断前行中积累了丰富的经验。
  科学研究要将视野放眼于全世界。为了学习到这一领域更加先进的科研技术,博士毕业后的陈晨决心继续漂洋过海前往国外进行深入的科学研究工作。2011年,陈晨回到了美国劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部,在这里展开了为时3年的博士后研究工作。多年在外的研究工作,让陈晨深切感受到了国外浓厚的科研氛围以及深厚的科研文化,特别是在纳米催化材料相关机理的认识上,那时国外的科研学者要比国内的研究得更加深刻。这些都对陈晨产生了潜移默化的影响,并让其深刻体味到了在科学研究中开展深入探索的必要性。
  
立足现状,展开环境催化材料探索
  科学研究要在祖国的大地上落地生根。虽然多年在国外从事科研工作,但陈晨一直心系我国的科研事业。在国外从事科学研究期间,他就曾阅读过许多国内优秀科研工作者的相关文章,并深刻感受到了国内科研水平的飞跃进步。在这一背景下,他回国从事科研工作的决心也愈加坚定了。2015年,陈晨顺利回到了清华大学化学系,并担任副教授,依靠清华大学的研究平台在纳米催化材料的设计合成和应用研究中展开了进一步的科研探索。
  一直以来,陈晨所做的研究工作都是立足于祖国社会所面临的各类问题所展开的。现如今,环境问题成为困扰我国社会经济发展的重要问题之一。特别是在碳排放方面,全球化石燃料产生的CO2排放量一直居高不下,其中仅不足一半的CO2能被海洋和陆地吸收,剩余一半则进入大气。随着大气中CO2总量的不断增加,温室效应引起的气候变化、海平面上升和空气污染等问题日益凸显。我国属于碳排放大国,CO2的排放问题也使我国面临严重的经济损失,从长远发展来看,为保持经济高速发展,必须采取有效措施降低CO2的排放。
  “现如今,雾霾问题是我国环境问题中的最大隐患,在交通领域,新能源的电动车所用的电大多都是火力发电,主要依靠化石能源的燃烧,这些都在无形中给我国的环境造成危害。”陈晨说。在这一背景下,他们试图开展新型燃料电池的相关研究工作,这一新型燃料电池的优势在于:其消耗的是氢气和氧气,最后产生水,在提供电力的前提下又杜绝了污染。除此之外,在火力发电产生二氧化碳这一方向研究中,陈晨团队致力于将产生的二氧化碳转化成一些其他更高附加值化学品,如太阳能、风能等产生的电能通过电化学还原的方法,将CO2转化为一氧化碳、烯烃、醇类等,不仅能有效缓解CO2气体排放带来的影响,还能将可再生资源产生的间歇性电能转化为稳定的化学能,便于能量的储存与运输,有利于新能源领域的健康发展。在保护环境的同时还能实现资源的有效利用。
  陈晨深知:生态环境保护是功在当代、利在千秋的事业。在自己所在的科研方向上做出贡献,陈晨从未停止过奔跑。在相关研究基础上,他还于2018年顺利申请了国家自然科学基金面上项目“CO2电催化还原反应中的催化剂表界面精细原子调控”,在这一方向中展开了深入探索。
  CO2电化学还原反应(CO2RR)是一种有效的CO2转化途径,有助于解决当下环境和能源问题,具有重要的社会和经济价值。在电化学还原过程中,CO2分子在催化材料表界面的吸附、活化和脱附,是影响其性能的关键因素。对催化剂表界面进行原子级精细调控,理性设计并制备出高效的CO2RR催化剂是这一项目研究的重点。在这一项目中,陈晨团队将围绕水体系CO2RR的活性和选择性问题,以金属和金属/氧化物纳米材料为研究对象,选择表界面精细原子调控为材料制备的突破点,通过设计和精准合成,构建特定催化表界面,开展CO2RR催化性能研究,并结合原位表征和理论计算进行反应机理研究,推动高效CO2RR纳米催化剂的发展和应用。
  
创新不倦,开展纳米催化剂的设计调控
  现代石油、化学品以及食品等生产过程有85%以上通过催化实现。21世纪以来,已有4次诺贝尔化学奖(2001年、2005年、2007年、2010年)授予了在催化领域做出杰出贡献的科学家。“人们通常称催化为‘black box’(黑色盒子),在这神秘的盒子中有许多亟待挖掘的奥秘等待着科学家来揭开。”
  近年来,随着穴插电子显微镜、同步辐射表征技术的进步,科学家对于纳米催化材料领域的研究已经深入到原子级尺度,这为相关领域的研究者更进一步认识催化领域的相关机理并推动领域的进步和发展提供了良好契机。
  2019年,陈晨顺利获得了国家杰出青年科学基金“纳米催化剂的理性设计和精准调控”的支持,开始了在这一领域的深度探索。
  众所周知,催化领域如今面临着许多新的挑战,例如化石能源高效利用、减少二氧化碳排放、高效率燃料电池等,其中涉及的催化科学问题均是关系到国计民生的重要问题。针对不同的催化反应,理性设计并制备出高效、稳定的催化剂是当下化学领域的重要研究课题之一。
  事实上,催化的本质是反应物与催化剂表界面的活性中心形成活化配合物。通过精准调控纳米催化剂表面的原子结构、电子结构,可改变活性中心的结构,有望大幅降低反应活化能,甚至彻底改变反应路径,进而使催化剂的性能产生数量级的提升。因此在纳米、原子尺度上认识进而理性设计并精准调控合成催化剂具有极其重要的科学意义。
  在这一项目研究中,陈晨团队将结合纳米材料与催化化学的发展态势以及国家经济建设发展的需求,开展纳米催化剂的理性设计、精准控制合成以及构效关系的研究工作:聚焦烷烃活化、二氧化碳转化等若干具有前沿代表性的催化反应,在原子尺度上探索反应物在催化剂表界面上的吸附、活化和脱附方式,尝试揭示催化剂在催化反应中的作用机理。并基于他之前在纳米催化剂调控合成经验的基础上,有针对性地进行催化剂理性设计,发展全新的合成策略,以期在催化剂的原子级调控领域中开拓出有自己特色的研究方向。
  多年的研究积累,给陈晨带来了丰富的科研硕果。从事科研以来,他共发表学术论文80余篇,其中包括Science、Nat. Chem.、Nat. Catal.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等。发表的论文总被引用3000余次,获得专利共5项。研究成果被美国能源部、Science Daily、Chemistry World、C&EN等多家权威机构网站转载,并以Research Highlights、Perspective、Views & News等形式评述报道,在领域内引起了广泛关注。
 
初心为伴,基础研究与应用并行
  在纳米催化材料的研究过程中,有时候实际的催化效果远远没有达到最初的设计预期,以致于科学家在实验的过程中会走很多弯路,这个时候,更需要研究者有不断试验的耐心,以及认识问题后解决问题的能力。对于陈晨来说,虽然科学研究中的困难常在,但是在研究成果达到预期的一瞬间,一切的压力与痛苦也会随即烟消云散。“每一次在实验中发现一个特别神奇的催化效应的时候,我就会觉得特别有意思。如果一个大家从未想到的催化剂,在非常重要的反应中产生一些从未起到的效果,那便是我最高兴的事情。”陈晨说。
  青年科研工作者是国家未来科研事业的希望。如今,陈晨也在承担着新一代科研人才的培养工作。经过多年在教学岗位的历炼与成长,他也逐渐形成了一套属于自己的教学方法。在课堂上,为了避免学生单纯学习理论知识的枯燥,陈晨会将自己在科研领域所整理的相关内容融合在对应的章节里面,不仅能提高课堂效率,还能让学生更好的理解书本内容。一直以来,陈晨始终认为,20多岁是人类最有创造力的时期,所以在引领学生从事科学研究的时候,他从不会给学生太多的枷锁和限制。在大方向的引导下,陈晨会给予学生更大的科研自由度,让他们发挥主观能动性,开展相关研究工作。这样不仅能提高学生的科研自信,还能让他们在不断探索开拓中,体味到科学研究的魅力。
  孜孜不倦投身于科学研究中,陈晨收获了满满的科研硕果。2015年,他获得中组部“青年千人”计划支持,2018年获得北京市杰出青年科学基金支持;自此之后,他又相继获得2018年度中国化学会青年化学奖,以及中国化学会第三届纳米化学新锐奖。虽然荣誉加身,但是陈晨并未满足于现状,他坚信:在纳米催化材料的设计合成和应用研究中,未来还有无限的发展空间等待着他去探索和开拓。
  现如今,自主创新的科研成果成为各国科技竞争的最大利器。在纳米催化材料的设计合成和应用研究中,如果能发展自己国家的更为廉价、更有竞争力的催化材料,就能尽快摆脱国外技术的限制。“一般在实验室里做出来的技术,想要在工业中顺利应用的话,都是需要时间的积累与不断试验的。”陈晨说。目前,依托于李亚栋老师所创办的公司,陈晨团队也在对自己开发的相关催化剂产品进行应用推广。在基础研究方面,他们还将深入于催化材料的机理研究中,为做出更加精准调控的催化材料而不断探索下去。
  前路任重而道远,陈晨团队唯有坚守初心,用实际科研成果来施展自己的科研抱负,在纳米催化材料的设计合成和应用研究中做出更多有利于国家和社会的科研贡献。
  
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