反复失败2年后，他在博三取得重要突破！

学术 2024-11-25 19:30 北京

文｜《中国科学报》见习记者赵宇彤

如果明天就要开组会，但实验却毫无进展，你会怎么做？

这种煎熬的生活，周子晖过了两年。作为美国加利福尼亚大学伯克利分校的博士生，他一直学着和失败打交道。看着不尽如人意的数据，以及老师下意识地摇头，他能做的只剩一次次地尝试和期待。

功夫不负有心人。在一次实验中，他终于得到了理想数据，此后更是“一路绿灯”，顺利发现了一种能够从空气中捕获二氧化碳的新型多孔材料。

近日，以周子晖为第一作者的研究成果发表于《自然》，从投稿到被接收，仅仅用时4个月。

周子晖（受访者供图，Robert Sanders摄）

“抓走”二氧化碳

直接从空气中“抓走”二氧化碳，被许多科学家视为碳中和的“最后一公里”。但从技术层面看，能不能实现、该怎样实现，始终没有得到答案。

周子晖告诉《中国科学报》，二氧化碳吸附有两大方向，一是从工厂排放的烟气中“捕捉”二氧化碳，从源头避免碳排放；二是直接从空气中“抓走”二氧化碳，通过吸附空气中已有的二氧化碳，让其浓度不再升高，甚至逐渐回落至原始水平。

其实，从空气中“抓走”二氧化碳的想法并不新鲜。早在1999年，美国亚利桑那州立大学的化学工程师Klaus Lackner首次提出了该设想。此后，不少科学家围绕二氧化碳的酸性特质“大做文章”，试图利用各类碱性物质实现酸碱反应，吸走空气里的二氧化碳。

然而，种种尝试都铩羽而归。

“一类材料复用条件高，通常需要600℃至900℃的高温，才能让这类材料‘再生’；另一类材料稳定性差，哪怕是在无水无氧的理想条件下，10次左右就出现了明显的性能衰退。”周子晖解释说。

周子晖则另辟蹊径，在导师提出的共价有机框架结构基础上，开发出一种新型多孔材料。它使用稳定的共价碳-碳键作为材料骨架，并在孔隙内部“装”上尽量多的氨基，让其充分吸收二氧化碳。

不同于仅通过小分子间弱范德华力的非共价连接，该材料采用共价连接方式，通过共享电子将原子紧密连接在一起，使得骨架更加坚固、稳定。

“此外，共价有机框架是具有疏水性的有机材料，吸收二氧化碳的同时吸水量小，在二氧化碳脱附过程中耗能小，整体的再生温度低。”周子晖说，它在25℃的室温条件下就能有效释放捕获的二氧化碳，且20天100次的循环测试显示，材料性能无衰退迹象。

一份特别的生日礼物

2021年，从清华大学化学系毕业后，22岁的周子晖来到加利福尼亚大学伯克利分校深造。

周子晖所在的课题组从2019年就开始了这项材料的研究。当时只有一个模糊的思路，即把尽可能多的氨基作为二氧化碳的吸附位点，并通过共价连接的方式建造一个稳定的骨架结构。不过，最初为了降低难度，团队选择先设计一个稳定性稍差、合成难度也相对较低的骨架，再通过后续优化提升稳定性。

然而花了两年时间，尝试了各种各样的材料、设计了无数连接方案，他们都没有得到想要的结果，骨架结构的稳定性远远达不到要求。

很显然，这个看似捷径的方式把课题组引入了死胡同。没办法，只能“上难度”。团队成员很快调整思路，决定直接进攻稳定性强且难度高的骨架结构。

交给谁来做呢？导师看了看被折磨了两年的“老兵”们，一时间竟找不到合适的人选。正在这时，周子晖加入了课题组。

“很快，设计材料的重任就交给了我。我至少试了20种不同的骨架结构，无论怎么改进设计方案，就是做不出多孔材料。”回想起那段昼夜不分却“颗粒无收”的日子，周子晖依旧“很崩溃”。

课题组每两周的周一举行组会。“周日下午，实验室里基本坐满了人，大家都在补数据。只有测出满意的数据，大家才会离开。”周子晖说，“当时我们课题组发表过的最好的二氧化碳吸附量是0.3毫摩尔每克，但前两年我所有的实验数据都没有超过0.05。赶上组会，如果实在没数据，就只能改改上次的PPT，调调顺序，重新汇报一遍。”

就这样，被失败反复打击的周子晖被迫养成了好心态。当第一次看到0.4的吸附量时，他不敢相信地揉了揉眼睛。

没看错！周子晖情难自禁，一个箭步把导师拉了过来，告诉他这一喜讯。

命运的转折总是悄然而至。从那以后，实验变得非常顺利，数据从0.4慢慢优化到0.9。2023年底，周子晖测完了所有数据，开始着手写论文，并于2024年4月底将论文投出。

“导师当时说，这么好的材料要选一个好记的数字，于是将其命名为COF-999。正好我的生日是1999年9月27日，年份有9，月份有9，27也是由3个9组成。”周子晖笑着说。

不光名字有纪念意义，2024年9月，他惊喜地得知，论文已被《自然》接收。

“这真是一份特别的生日礼物。”周子晖兴奋地说。

要走的路还很长

“直到实验结束，我都没想过成果能在《自然》发表。”周子晖告诉《中国科学报》，2023年底，在和导师总结数据时，他们突然想到，既然测试数据这么好，不妨试试能否在室外吸收二氧化碳。

“当时导师没抱什么希望，因为此前大家的研究都是基于实验室展开，很少有人在室外测试。”周子晖说。

他买了一些器件进行改造，前前后后花了快一个月时间，终于开发出了合适的设备和程序。

“我们在校园里做了这项实验，通过一根管子将空气送进仪器，发现经过COF-999处理后，二氧化碳浓度从0.04%降到0。”周子晖骄傲地说，如果把20天的实验数据延展到365天，意味着只要200克COF-999，一年就能吸收20千克二氧化碳，相当于一棵成年树木每年吸收的二氧化碳量。

这项研究得到了审稿人的高度认可：“这项工作非常扎实，为从空气中吸收二氧化碳提供了理论支持。”

但周子晖明白，要走的路还很长。“要实现COF-999的大规模应用，这项研究还有很多值得深入的部分。”周子晖解释说，“但我相信柳暗花明，只要踏踏实实走好每一步，一定能有所收获。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x

《中国科学报》 (2024-11-25 第3版综合)

编辑 | 赵路

排版 | 郭刚

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