反复“失败”2年后，新型多孔材料重大突破！他从投稿《Nature》到接收，仅仅用时4个月
文摘
2024-11-22 07:20
上海
美国加州大学伯克利分校博士生周子晖，在 2024 年 11 月 17 日接受采访时分享了他的科研突破历程。2021 年，从清华大学化学系毕业的周子晖来到伯克利深造。其所在课题组从 2019 年就开始研究从空气中捕获二氧化碳的材料。周子晖历经两年反复失败后，在 2024 年取得重要突破。面对即将到来的组会和停滞不前的实验，周子晖已经度过了两年的煎熬时光。作为加州大学伯克利分校的博士生，他一直在与失败并肩作战。面对不尽如人意的数据和导师无奈的摇头，他唯一能做的就是不断尝试和满怀希望。周子晖的微信签名“山野都有雾灯”，仿佛预示着他终将在迷雾中找到那盏照亮自己的明灯。在失败的不断磨砺下，他持续改进每一个实验环节。终于，在一次实验中，他获得了梦寐以求的数据，并从此一帆风顺，成功发现了一种能从空气中捕获二氧化碳的创新多孔材料。10月23日，以周子晖为第一作者的研究成果发表于《自然》。这一成果从投稿到接收，仅仅用时4个月。![]()
周子晖 （受访者供图，Robert Sanders摄）"在科学家眼中，直接从空气中捕获二氧化碳被视为实现碳中和的关键一步。然而，这项技术是否可行，如何实现，一直是个悬而未决的问题。回顾历史，工业革命前空气中的二氧化碳浓度仅为0.03%，但工业革命后这一数字飙升至0.042%，增幅近50%。虽然看似微不足道，却已引发全球气候变暖。周子晖在接受采访时指出，二氧化碳吸附技术主要分为两大类：一是从工厂排放的废气中“捕捉”二氧化碳，防止其进一步排放；二是直接从空气中“抓取”二氧化碳，通过吸附已有的二氧化碳来降低其浓度，甚至恢复到原始水平。 其实，从空气中捕获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克劳斯·拉克纳（Klaus Lackner）就提出了这一设想。此后众多科学家围绕二氧化碳的酸性特性展开研究，试图利用各种碱性物质与其发生酸碱反应来吸收空气中的二氧化碳。"周子晖博士在材料科学领域取得了突破性进展。他开发了一种新型多孔材料，这种材料能在600至900°C的高温下“再生”，高效吸收二氧化碳。这一创新成果基于他的导师奥马尔·亚吉提出的共价有机框架结构（COFs）。与传统材料不同，这种新型材料采用稳定的共价碳—碳键作为骨架，孔隙内部富含氨基，使其能够充分吸收二氧化碳。这种共价连接方式通过共享电子将原子紧密连接在一起，使得材料骨架更加坚固稳定，解决了传统材料在重复利用过程中性能衰退的问题。这一发现为二氧化碳的高效捕获和转化提供了新思路。“此外，共价有机框架本身是个具有疏水性的有机材料，吸收二氧化碳的同时吸水量小，二氧化碳脱附过程中的耗能小，整体的再生温度更低。”周子晖说，在25°C的室温条件下就能有效释放捕获的二氧化碳，且经过20天100次的循环测试，材料性能并无衰退迹象。在2021年，22岁的周子晖带着满腔热忱从清华大学化学系毕业，踏上了加州大学伯克利分校的学术之旅。尽管他对未来的挑战有所预料，但博士生涯的首个考验还是让他措手不及。周子晖所在的研究团队自2019年起便致力于一种新型材料的研究。他们最初的构想是将大量氨基作为二氧化碳吸附位点，通过共价键构建一个稳固的骨架结构。为了简化问题，团队最初选择了一个稳定性稍逊但合成难度较低的骨架设计，并计划通过后续优化来提升其稳定性。然而，经过两年的努力和无数次的材料尝试与连接方案设计，他们仍未能获得理想的结果，骨架结构的稳定性远远未达到预期。显然，这条看似便捷的道路实际上将他们引入了死胡同。面对这一困境，团队迅速调整策略，决定直接挑战那些稳定性更高但难度更大的骨架结构。在寻找合适人选的困境中，导师的目光最终落在了新加入课题组的周子晖身上，他的到来如同一股清新之风。不久，设计新型多孔材料的重担便落在了他的肩上。周子晖回忆起那段不分昼夜、屡战屡败的科研旅程，他曾尝试过20多种不同的骨架结构，却始终无法制造出理想的多孔材料。每周一早晨的课题组会议成了他们的固定仪式，周日午后实验室里总是人满为患，大家都在紧张地补充数据直至深夜。周子晖坦言：“我们课题组之前最好的二氧化碳吸附量是0.3毫摩尔每克，但我前两年的所有实验数据都未超过0.05。”在没有新数据的情况下，他们只能调整旧PPT的内容顺序来应对汇报。正是在这样的失败中，周子晖逐渐磨练出了坚韧的心态。当他首次目睹了0.4的吸附量时，他几乎不敢相信自己的眼睛。没错！他终于成功设计出了能够高效吸收二氧化碳的新型多孔材料。激动之情溢于言表，他立刻拉过导师分享这一重大突破。命运的转角总是在不经意间降临。自那一转折点起，实验进程如同顺水推舟，效率从0.4稳步提升至0.9。到了2023年岁末，周子晖已经完成了所有数据的测量，并开始着手撰写论文，终于在2024年春末完成了投稿工作。他回忆道：“导师建议我们选择一个容易记住的数字来命名这个卓越的材料，以便让它深入人心。于是我们选择了COF-999。有趣的是，我的生日恰好是1999年9月27日，年份、月份和日期中都包含了数字9。”周子晖带着自豪的笑容说道。不仅名称具有纪念意义，在2024年金色的九月，他更是惊喜地得知自己的论文被《自然》杂志接受发表。“这无疑是我收到的最特别的生日礼物。”周子晖激动地分享这份喜悦。“未曾预料，我的研究成果竟能登上《自然》杂志。”周子晖在接受《中国科学报》采访时回忆道。2023年岁末，他与导师在整理实验数据时灵光一现：既然我们的测试结果如此出色，何不尝试在室外空气中捕捉二氧化碳？尽管导师对此并不抱太大希望——毕竟先前的研究都是在实验室内进行，室外测试鲜有人尝试——但他仍鼓励周子晖：“若真能成功，必能发表在顶级期刊上。”受到导师的激励，周子晖满怀激情地投入到设备改造中。 面对室外环境的不确定性，如何将空气稳定引入仪器并转化为可视化数据？经过近一个月的不懈努力，周子晖终于研发出一套合适的设备和程序。他们在伯克利校园进行了实验，通过管道将空气引入仪器后发现，经过COF-999处理的空气，二氧化碳浓度从0.04%降至0。周子晖自豪地表示：“如果将20天的实验数据扩展至全年，仅需200克COF-999就能在一年内吸收20公斤二氧化碳——这相当于一棵成年树木一年的碳吸收量。”这项研究因其坚实的理论基础和对二氧化碳吸收的显著贡献，赢得了审稿人的极高评价：“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。”周子晖谦虚地将成就归功于前人的探索：“我们的成果不过是站在巨人的肩膀上。”他感激前辈们留下的宝贵经验，这些经验在他独自在美国面对繁重学业和实验挑战时，成为了他的精神支柱。在异国他乡，周子晖与团队成员的聚餐成为了他生活中的温暖时刻。他们25人的团队中，约有十来个中国人，在春节等重要节日，大家会聚在一起享受家的氛围。现在，作为博士三年级的学生，周子晖也开始效仿前辈们的做法，为后来者铺路。他指出：“要实现COF-999的大规模应用，我们还有很多工作要做。”这包括从实验角度优化材料以提高二氧化碳吸附效率，以及从工程角度设计材料装置以实现广泛应用。虽然前路漫长，周子晖坚信：“只要我们脚踏实地、稳步前行，必将有所成就。”相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x推荐阅读：
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