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周子晖︱反复“失败”2年后,他在博三取得重要突破!

2024-11-18 | 赵宇彤 | 来源 科学网2024年11月16日 |

如果明天就要开组会,实验却一直毫无进展,你会怎么做?

这种煎熬的日子,周子晖过了两年。作为美国加州大学伯克利分校的博士生,他一直学着和失败打交道。看着不如人意的数据,以及老师下意识地摇头,他能做的只剩下一次次尝试和期待。

“山野都有雾灯”,这是周子晖的微信个性签名,也恰似一种印证,置身迷雾已久的他,终将等来照亮自己的那盏灯。

在失败的反复打磨下,周子晖持续优化着每一个实验步骤。功夫不负有心人,在一次实验中,他终于得到了理想的数据,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。

1023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)

捕获二氧化碳的“秘密武器”

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

“工业革命前,空气中的二氧化碳浓度一直稳定在0.03%以下,但工业革命后,这个数值快速升到了0.042%,相较之前高出了近50%。尽管看上去浓度很低,但已经造成了全球气候变暖。如果再不采取行动,将导致更严重的后果。”周子晖告诉《中国科学报》,二氧化碳吸附有两大方向,一种是从工厂排放的烟气中“捕捉”二氧化碳,从源头避免其继续排放;另一种则是直接从空气中“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,从空气中捕捉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)首先提出该设想。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,吸收空气里的二氧化碳。

然而,种种尝试都铩羽而归。

一类材料是复用条件高,通常要在600900°C的高温下,才能让这类材料‘再生’,重复利用吸收二氧化碳;另一类材料是稳定性差,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。”周子晖解释道。

周子晖则另辟蹊径,在导师奥马尔·亚吉(Omar Yaghi)提出的共价有机框架结构(COFs)基础上,开发了一种新型多孔材料,使用稳定的共价碳—碳键作为材料骨架,并在其孔隙内部“装”上了尽量多的氨基,让其充分吸收二氧化碳。

不同于仅通过小分子间的弱范德华力的非共价连接,这类材料采用的共价连接方式,通过共享电子的方式将原子紧密连接在一起,骨架更加坚固稳定。

“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20100次的循环测试,材料性能并无衰退迹象。

一份特别的生日礼物

2021年,22岁的周子晖从清华大学化学系毕业后,如愿来到加州大学伯克利分校深造。尽管做足了思想准备,他还是被读博生涯的第一个挑战打了个措手不及。

周子晖2021年清华本科毕业留影

周子晖所在的课题组从2019年就开始了这类材料的研究。当时只有一个模糊的思路,就是要把尽可能多的氨基作为二氧化碳的吸附位点,通过共价键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但合成难度也相对较低的骨架,再通过后续优化提升稳定性。

然而花了两年的时间,尝试了各种各样的材料,设计了无数个连接方案,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”了,团队成员很快调整思路,决定直接进攻稳定性强但难度高的骨架结构。

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,带来了新鲜血液。

“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”的科研经历,周子晖依旧感到崩溃。

课题组每两周的周一早晨固定召开组会。“周日的下午,实验室里基本坐满了人,大家都在补数据,直到晚上九点、十点,只有测出满意的数据,才会走人。”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),但我前两年所有实验数据没有一个超过0.05。赶上组会,如果实在没数据,就只能改一改上个月的PPT,调调顺序,重新汇报一遍。”

就这样,被失败反复打磨的周子晖被迫养成了好心态,当他第一次看到0.4的吸附量时,难以置信地揉了揉眼。

没看错!他确实设计出了能吸收二氧化碳的新型多孔材料,周子晖情难自已,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,从0.4慢慢优化到0.92023年底,周子晖测完了所有数据,开始着手写论文,并于20244月底完成投稿。

当时导师说,这么好的材料,要选一个好记的数字,让大家都记住它,于是命名为COF-999。正好我的生日是1999927日,年份有9,月份有927也是由39组成。”周子晖笑着说。不光名字有纪念意义,20249月,他惊喜得知,论文已经被《自然》接收。

“这真是一份特别的生日礼物。”周子晖兴奋地感慨。

“站在巨人肩膀上”

“直到实验结束,我都没想过论文能发表在《自然》上。”周子晖告诉《中国科学报》,2023年年底,在和导师总结数据时,他们突然想到,既然测试数据这么好,不如试试能不能在室外空气里吸收二氧化碳。

“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,他觉得如果真能做成,保证能发一篇‘正刊’。”吃下了导师画的“大饼”,周子晖干劲十足,他买了一些器件开始改造。

样克服室外条件的不稳定,把空气顺利引入仪器当中?又怎样将其转化成可视化的数据?前前后后花了快一个月的时间,周子晖终于做出了合适的设备和程序。

“我们在伯克利校园里做了这项实验,通过一根管子将空气送进仪器里,发现经过COF-999处理后的空气,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,就会发现只要200克的COF-999,一年就能吸收20公斤的二氧化碳,相当于一棵成年树木每年吸收的二氧化碳量。

这项研究也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。”

而在周子晖看来,所有的成果不过是“站在巨人肩膀上”。“这项研究能取得如此成绩,离不开前面师兄师姐们的开路,给我们提供了非常宝贵的经验。”周子晖说,孤身来到美国,一边是繁重的课业负担,一边是毫无进展的实验压力,和师兄师姐们的欢聚时光,成了他生活里仅剩的亮点。

“我们组里一共25个人,其中大概十来个中国人,每次压力大的时候,大家就一块儿聚餐聊天来减压。”周子晖回忆道,每逢春节,大家都主动跑到博士后师兄师姐家蹭饭。厨房里的烟火气、洋溢的饭菜香,使周子晖在大洋彼岸又找到了“家”的感觉。

现在,博士三年级的周子晖也学着师哥师姐的样子,为后来者铺路。“要想实现COF-999的大规模应用,这项研究还有很多值得深入的地方。”周子晖解释道,“一方面,从实验角度,怎么在现有材料上进一步优化,比如提升二氧化碳的吸附效率等,另一方面,从工程角度,怎样设计材料装置以实现大规模应用,都是挑战。”

“要走的路还很长。”周子晖万分感慨,“但我相信柳暗花明,只要踏踏实实走好每一步,一定有所收获。”

___________________

周子晖,清华大学化学系2017级本科生(化学专业,化学72班)。本科期间曾获得国家奖学金、北京市优秀毕业生、清华大学优秀学生干部、志愿公益优秀奖、社会实践优秀奖等荣誉。

20218月至今于美国加州大学伯克利分校化学系攻读博士学位,专注于COF、直接空气捕获、碳捕获等研究,导师:Omar M. Yaghi院士。


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