——天津大学环境科学与工程学院副教授丁辉的科研创新之旅

黄雪霜  李志岸

　　让微生物边修复土壤边实现增产，用阳光蒸腾水汽来捕捉碳，让催化剂在常温下“独立自主呼吸”——这些看似天真的构想，承载着天津大学环境科学与工程学院副教授丁辉数十年如一日的坚持。

　　这位环境科学研究领域的“修行僧”，十余年来始终聚焦生态环境治理需求前沿，在农耕土壤修复、常温催化、空气碳捕集等生态环境治理方面开展多种特色的原创性研究。这条路在很多专业人士看来很难，他面临过无数的质疑和挑战，也经历过很多次的失败锤炼，但依然心无旁骛地坚持内心所向，从没想过要放弃。

土壤修复

　　——让农田边修复边丰收

　　2024年11月初，天津市宁河区丰盈米业实验基地里，微风轻拂，稻穗摇曳，金色稻浪不断翻涌。技术人员望着这片丰收盛景喜笑颜开。而这份沉甸甸的喜悦背后，其实凝聚着丁辉团队的智慧与心血。

　　早在2023年年底，为推进宁河区土壤生态建设，当地相关部门与丁辉课题组开展对接交流，经考察决定在丰盈米业实验基地开展小站蟹田稻提质增产、盐碱土壤改良实验。实验组采用丁辉团队历经11年自主研发的“边修复、边增产”型微藻有机-矿质复合体（OMC）肥料作为试验组，与施用市售生物有机肥对照组来了一场“实力比拼”。

　　实验结果令人惊喜。相比对照组，实验组水稻表现突出，分蘖数和籽粒数分别增长31.4%和31.9%，增产效果显著。这不仅意味着产量提升，更体现了OMC在改善土壤、促进作物生长方面的强大能力。

　　这一片段只是丁辉团队多年深入田间地头为耕者解决土壤实际问题的一个缩影。多年来，他瞄准土壤肥力低、重金属和农药污染严重，修复过程不增产、土壤生态不良等痛点问题，提出一揽子创新解决方案，开发出微藻有机肥、OMCs等系列产品，深受广大农户的欢迎。其中，他们研发的OMC有机肥具有“钝、代、促、供”四大神奇“魔力”，“钝”即钝化土壤重金属，阻控其向植物根系迁移；“代”即利用复合菌种代谢掉土壤持久性有机污染，降解多环芳烃和草甘膦等农药；“促”即利用藻-菌共生体促进重塑土壤微生物群落结构，改变退化、酸化、盐碱化、污染化土壤的微生物环境，让土壤更有活力；“供”即用有机-矿质复合体材料提供关键养分，助力作物茁壮成长。

　　相关技术达到国际领先水平，具有不误农时、不改变耕种习惯、低成本修复养护农耕土壤的特点。成果已在大江南北近千万亩农田推广应用，切实改良了土壤，提升了农作物产量和品质，得到袁隆平院士认可并颁发聘书；获得省部级等奖励5项，制定了《微藻有机肥》团体标准（T/CI068-2022）等。2021年，相关技术案例入选国家乡村振兴局典型案例；2022年，被评为教育部“第七届直属高校创新试验典型项目”第一名。

二氧化碳捕集

　　——来自蒸汽的“神奇魔力”

　　2024年11月11日，《自然·通讯》刊发了一篇由丁辉团队与合作者共同研究的成果论文：《协同空气取水用于促进直接空气捕集二氧化碳》。来自澳大利亚墨尔本大学与天津大学联合培养的王永强担任论文第一作者，丁辉与墨尔本大学的李刚（Gang Kevin Li）副教授、蒙纳士大学的保罗·韦伯利（Paul Webley）教授为共同通讯作者。这是他们在空气碳捕集方面收获的一个创新硕果。

　　在全球为应对气候变化而绞尽脑汁的当下，如何高效捕集二氧化碳、降低大气中二氧化碳浓度，成为摆在科学家面前的关键难题。众多应对方案中，直接从大气中捕集二氧化碳的直接空气捕集（DAC）技术备受关注。

　　传统的DAC技术在捕集二氧化碳时，面临着不少难题，比如常用的温度真空摆动吸附（TVSA）工艺需要把温度升到100℃以上，还要用真空泵降低二氧化碳的分压，才能让吸附剂把二氧化碳“吐”出来。即便这样，也只能释放30%～50%的吸附二氧化碳，不仅效率低，成本还高。而且，一些增强再生的方法，像高温蒸汽吹扫，虽然能多释放点二氧化碳，但又得专门配备蒸汽锅炉，对淡水供应也有要求，限制了这项技术在不同地方的使用。

　　在协同空气取水用于促进直接空气捕集二氧化碳的研究过程中，丁辉及合作者创新性地提出了一种原位蒸汽促进脱附（VPD）策略。通俗来说，就好比为二氧化碳的捕获与释放精心设计了一场精妙的“魔术表演”。团队利用双层胺接枝树脂和硅胶作为“道具”，一个负责精准吸附二氧化碳，另一个专注收集空气中的水分。当进入再生环节，硅胶吸附的水分摇身一变成为水蒸气，这水蒸气恰似一把神奇钥匙，在约100℃的环境下，就能成功打开二氧化碳从吸附剂中解脱的大门，不仅产出纯度高达97.7%的二氧化碳，还同步获得淡水，一举两得。

　　为了让整个过程更加绿色、可持续，科研团队还搭建起一个太阳能供电的DAC原型，这个小巧却强大的装置宛如一个迷你的“太阳能工厂”，仅凭阳光这一取之不尽的清洁能源，就能驱动吸附剂再生，将空气中的二氧化碳变废为宝。与传统技术相比，丁辉团队的方法处理二氧化碳的能力大幅跃升，能耗、成本却显著降低，为碳捕集提供了一种新的路径和方法。

常温催化降解

　　——为空气净化装上“永动机”

　　2025年开年不久，国际期刊《环境化学工程》刊登了丁辉团队在挥发性有机物治理方面取得的又一创新成果——他们通过浸渍一锅法制备了一种氮掺杂活性炭负载的Ni/NAC-900催化剂，其奥秘在于独特的配位结构——氮掺杂的活性炭上，镍原子以独特的NiN4C2结构排列，像纳米级的“分子剪刀”。当乙酸乙酯分子接触到催化剂表面时，空气中的氧和水会被激活成高活性自由基（·OH），将这些污染物“剪碎”成二氧化碳和水。实验数据显示，这种催化剂在25℃下能持续工作50多小时，降解效率是传统活性炭的2倍，且无需任何外部能源输入。

　　获得这样的创新突破并非偶然。早在2020年，丁辉团队就在《环境科学与技术》发表论文，首次证实常温催化降解VOCs（挥发性有机化合物）的可行性。当时学界普遍认为，处理这类顽固污染物必须依赖高温或紫外线等外部能量，而他们发现的“自由基自发生成”机制，如同给空气净化器装上了“永动机”，利用空气中的氧和水就能持续工作。

　　VOCs是一种常温下容易挥发到空气中的有机物质，常见于汽车尾气、工厂废气、油漆和清洁剂中，比如苯、甲苯、二甲苯和甲醛等。它们不仅会污染空气，还会刺激呼吸道，引发过敏、呼吸道疾病甚至癌症。

　　传统降解VOCs需要借助光、热、电等外部能量，成本高且使用不便，相关研究是世界性难题。多年来，丁辉坚持独辟蹊径，在不被看好的领域埋首钻研，颠覆性地提出常温催化消减难降解VOCs的新理念，并揭示了它的作用机理。他跳出了传统高温等能量辅助催化氧化的惯性思维，构建了原子级活性位点催化剂，突破了反应动力学限制，实现了常温常压下VOCs的快速高效降解。基于此，团队开发的常温催化降解VOCs技术（NTCO）无需高温、高压放电或紫外线，不仅节省能耗且降低安全风险。2021年，技术经鉴定达到国内领先水平。丁辉课题组还牵头制定了相关技术规范团体标准（T/CI 019-2021），并授权国内外发明专利30余项。值得一提的是，相关技术不仅能分解VOCs，其产生的羟基自由基还能灭活病毒，无需额外辅助手段等。