周宝文 | 打造理想的碳中和能源动力解决方案

能源是推动人类社会发展的直接动力。工业革命以来，人类向大气排放了超过1.5万亿吨的二氧化碳，引发了严重的生态环境危机。目前，科学家正在尝试通过人工光合作用，模拟自然界的绿色植物利用太阳光、水和二氧化碳合成燃料和化学品，既可以降低二氧化碳的浓度，又能保证能源的可持续供应。

 

然而，光的高效吸收、电子-空穴的有效分离和高效定向的表面化学反应仍然是人工光合作用合成太阳能燃料和化学品悬而未决的三大难题。来自上海交通大学新能源动力研究所的副教授周宝文一直致力于这一前沿领域，通过化学、物理、材料和工程热物理等学科的交叉研究，自原子至系统层面为解决上述三大难题提供创新性的方案，取得了一系列的成果。他期待在不久的将来，人工光合作用能真正地服务于我国的能源系统乃至经济社会。

 

与二氧化碳相遇

 

周宝文开始从事二氧化碳相关的研究是在他硕士毕业之后。2013年，周宝文从中国科学院广州化学研究所硕士毕业，进入中国科学院化学研究所攻读博士学位，他的导师是韩布兴院士。“韩老师是国内较早开始二氧化碳研究的专家，进入课题组之后，我慢慢对研究二氧化碳产生了浓厚的兴趣，可以说这是我研究二氧化碳旅程的起点。”周宝文如是说道。

 

师从韩布兴院士的近10年时间里，一方面，周宝文亲身感受到韩布兴院士对二氧化碳转化利用前沿性探索的执着。他带领团队不断耕耘，取得了系列重要的成果。另一方面，周宝文作为韩布兴院士团队的一员，也收获了很多宝贵的经验。他说：“韩老师经常来得比学生早，走得比学生晚。从这样的小细节里，我能感受到老师做研究的专注，做一项研究可以坚持10年甚至20年不动摇。”

 

在博士期间，周宝文以水作为绿色的氢源和氧源，以太阳能为动力，在温和条件下实现了不饱和有机物的还原、生物质的氧化，发展了一条绿色的氧化还原路线，为可再生燃料和化学品的可持续生产做了有益的探索，期待取代传统高能耗高污染的热催化路线。

 

“我在完成博士学业之后，已经坚定了从事学术研究的想法，出国的根本动力是想开阔视野，了解国际上最前沿的研究，加强与其他国家科学家的交流，学习新的知识。韩老师也十分支持我。”就这样，周宝文在韩布兴院士的建议下，于2017年6月前往加拿大麦吉尔大学，开启了他的第一站博士后研究。

 

光生电子的高效传输是人工光合作用的三大挑战之一。二硫化钼（MoS₂）价格低廉，结构和电子特性独特，具有卓越的水分解活性。MoS₂与硅半导体集成在未来大规模光电催化分解水制氢方面有很好的前景。然而，MoS₂和硅（Si）之间存在严重的界面缺陷，化学性质和结构不相容。因此，电子传输阻力大，严重地影响了器件的制氢性能。

 

为此，周宝文与合作者在导师米泽田（Zetian Mi）教授的指导下，通过先进的分子束外延技术和可控的电化学沉积技术在MoS₂和Si之间精确地控制原子的排列，定向生长高晶格质量、近乎零缺陷和高电子迁移率的氮化镓（GaN）纳米线，使电子在MoS₂和Si之间的迁移电阻降低了3个数量级，仅为MoS₂/Si的一千分之一。基于此，周宝文与合作者麦吉尔大学孔祥华博士（现任职于深圳大学物理与光电工程学院）创造性地提出了以高质量GaN纳米线打造人工光合作用电子通道的构思，并从实验上验证了这一构思的可行性，从原子-电子层面揭示了其背后的原因，为解决光生电子从半导体到催化剂高效转移这一关键挑战提供了新的解决方案。这样的尝试为世界首次。相关研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communication）上。

 

全新突破

 

2018年10月，周宝文结束在加拿大麦吉尔大学的博士后工作，来到美国密歇根大学安娜堡分校继续从事相关研究。在此期间，周宝文首次通过GaN纳米线/Si半导体平台搭载新型的铜铁双金属催化剂突破了传统二氧化碳（CO₂）还原合成甲烷的极限。

 

CO₂反应动力学迟缓，路径复杂，易得到能量密度较低的低级产物。相比之下，甲烷的能量密度大，储存、运输和燃烧的基础设施完善。因此，甲烷是CO₂还原的理想产物。然而，CO₂还原合成甲烷的挑战性巨大。虽然铜是公认合成甲烷的最佳催化剂，但是单纯的Cu基催化剂活性位点单一，对CO₂的活化能力有限，在提升甲烷的活性和选择性方面还有很大的空间。

 

为此，周宝文首次以铜盐和铁盐为原料，通过外加电场的定向作用，巧妙地开发了一种新型的铜铁双金属固溶体催化剂。首先，此催化剂能通过双活性位点的协同作用将高度稳定的线性CO₂分子扭曲，极大地降低了CO₂的活化能。这个新颖的铜铁双金属固溶体催化剂搭载在GaN纳米线阵列/硅平台上，突破了Cu基催化剂还原CO₂制备甲烷的极限。

 

以上研究成果发表在《美国国家科学院院刊》，申请了美国专利，且通过了专利合作条约（PCT）。这项研究工作为设计和开发新型的二元非贵金属催化剂，实现高效定向还原二氧化碳，制备高级太阳能燃料提供了新的途径。

 

2021年1月21日，由中国科学院、中国工程院主办，中国科学院和中国工程院两院院士评选产生的“2020年世界十大科技进展”新闻在北京揭晓。周宝文以第一作者身份发表在《美国国家科学院院刊》的工作以第四名入选，名称为：新型催化剂将二氧化碳变为甲烷。“进展”将此项工作誉为“迄今为止，最接近人造光合作用的方法”“效率和产量是有史以来最高的”，引起了国内外同行的广泛关注和高度肯定。

 

这项工作甫一发表，《科学》（Science）就对其做了长篇报道，将其誉为“一种燃起使用可再生能源合成甲烷希望的催化剂”。美国的替代能源网站（Green Car Congress）称赞这一工作“提供了一条独特、高效而且成本低廉的太阳能燃料合成路线”。

 

推进新型能源研究

 

回望过往十多年的研究历程，周宝文的研究重点也有一些细微的变化。他说：“我早期进入这个领域的时候，更多的是偏向于从化学的原理去探索如何把太阳能转换成为化学能的科学问题。到博士后阶段的时候，我更偏向从电气工程、半导体器件、能源动力等方向去思考太阳能的转化与利用，特别关注将其与可再生碳氢资源加工相结合，制备可存储的可再生合成燃料，以期减少对化石能源的依赖。”周宝文坦言，思考问题角度的变化对他的影响是非常深刻的。他开始逐渐意识到，可再生合成燃料不仅仅是单个学科的问题，更是一个系统性全链条的科学技术和工程问题，要用一种系统性的思维去思考问题，才能全面地解决问题。

 

2020年12月，周宝文回到了祖国，担任上海交通大学机械与动力工程学院的长聘教轨副教授。“上海交通大学是我非常向往的一所学校，因为这所学校是中日甲午战争战败后为民族复兴而生的学校，自建校以来为国家培养了无数的人才。再加上新能源动力研究所和我的研究方向高度吻合；上海这座城市也极具魅力，所以我选择了上海交通大学。”周宝文颇为兴奋地说道。

 

在当前“碳达峰、碳中和”的国家战略背景下，周宝文有着深思熟虑的研究计划：一是开发新一代的人工光合作用集成器件，二是以水、二氧化碳和生物质等可再生碳氢资源为化石能源的理想替代，以太阳能为动力，开发绿色、高效、稳定的绿氢、太阳能燃料和生物质燃料技术，解决束缚“碳中和经济”的瓶颈。

 

目前，周宝文正主讲一门上海交通大学研究生前沿课程“可再生合成燃料和碳中和动力技术前沿”；主持建设一门本科生专业选修课程“氢能技术与应用”。作为2022级本科新生班主任及硕士和博士研究生导师，他对于学生的培养，有着独立的见解。他认为创新是人类进步的动力，所以要致力把学生培养成具有创新活力的人，只有守正创新才能走出一条独一无二的科研道路。“希望在3到5年内，把自己的团队搭建成型，建立自己的学术特色，在面向碳中和未来的能源动力解决方案研究领域，作出自己的贡献。”周宝文笑着说道。他对未来充满了信心。

 

责编 | 黄雪霜