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原標題：邁向碳中和｜北工大環境與生命學部李建榮教授團隊：面向環境能源應用氫氣檢測儀，材料化工夯實基礎久久為功

為達到碳中和目標，特別是從源頭上控制碳排放及相關污染，需要技術革新發展有效碳捕獲技術、促成能源供給格局轉變、實現化工產品生產過程綠色化等。在諸多方面，材料是技術的基礎，材料的創新發展推動技術的進步。其中，化工新材料開發在碳中和實踐中扮演著舉足輕重的角色。過去十多年里，環境與生命學部李建榮教授團隊一直致力于新型金屬-有機多孔材料的創制與面向環境能源及食品安全的應用探索研究，取得了良好的進展，為碳中和相關科學技術研究奠定了基礎。

創新碳捕獲與轉化材料科學助力二氧化碳減排技術

有效捕獲二氧化碳并安全封存或將其轉化為其它高附加值產品，是實現碳中和的兜底手段。二氧化碳的主要工業排放來自化石燃料發電、鋼鐵冶煉、水泥制造等。針對這些場景，開發吸附容量大、選擇性高的材料并推動相關捕獲技術的發展是實現二氧化碳減排的重要途徑。在二氧化碳捕獲新材料的設計上二氧化碳，團隊創新地提出一個孔籠專一吸附一個二氧化碳分子的“單分子阱”概念，設計制備出系列專一高效的新型“分子阱”吸附材料（Nature Commun. 2013, 1538），碳捕獲性能優異。該工作為碳捕獲材料設計提供了新思路和理論指導，受到國內外同行的普遍關注，沃爾夫化學獎獲得者，美國科學院院士O. M. Yaghi教授在《自然》子刊Nature Energy上點評，認為“單分子阱”是二氧化碳捕獲的完美分子口袋，是設計碳捕獲材料的良好策略，極具前瞻性。結合理論計算與實驗，團隊設計制備出多種具有良好二氧化碳吸附分離功效的其他新吸附材料，揭示了構性關系和分離機制，發表了系列論文和專利，并應邀為化學化工領域頂極評論期刊CheETal Reviews撰寫題名為“CO? Capture and Separations Using MOFs: Computational and Experimental Studies”的專題綜述（Chem. Rev. 2017, 9674）。另一方面，將二氧化碳催化轉化為甲烷、甲醇、乙醇等燃料或甲酸、乙烯、聚合物等化工原料或精細化學品有望變廢為寶。團隊在構性機理剖析基礎上設計制備了系列新型多孔光催化劑，借助光能等降低反應活化能，實現了二氧化碳的高效轉化，相關研究結果發表在Green Chem. Eng., Appl. Catal. B: Environ., Chem. Eng. J.等期刊上，并申請了專利。

開發能源革新相關新材料

支撐清潔能源新技術發展

實現碳中和目標，需逐漸減少煤、石油等傳統化石能源的使用，大力發展氫能等清潔能源。在此背景下煤氣檢測儀，清潔能源應用相關材料的研發具有重要意義。質子交換膜是氫燃料電池中的關鍵組成部分，但目前商用膜材料存在性能易受環境影響的問題。團隊創新地提出“自適應”機理，為設計開發新型先進質子導電材料提供了新思路和理論指導。設計制備的一種具有柔性結構的金屬-有機多孔材料質子導電率高達0.127 S/cm，且該材料的質子導電率受溫度和濕度的影響較其他材料小很多二氧化碳，具有實用價值。相關結果以封面文章發表在《自然》子刊Nature Energy（2017, 877）上。國際知名專家G. Shimizu教授在該期刊進行了專題評論，認為該工作“不但實現了一個材料的高質子導電，而且闡明了一個基本概念”。另一方面，光電化學分解水技術為生產清潔且可再生的氫能提供了新途徑，但提高光電轉換效率仍極具挑戰。利用金屬-有機多孔材料的可誘導生長的特性，制備出系列復合材料，對光電分解水反應表現出良好的催化活性和穩定性，揭示了構性機理，也證實這些具有多級結構的復合物作為電容材料在儲能應用上較粉體無序電極材料具有顯著優勢，相關結果發表在J. Mater. Chem. A, ACS Energy Lett., Adv. Energy Mater., Small, Appl. Catal. B: Environ.等期刊上。這些研究為新能源的發展提供了理論基礎和材料支撐。

使用新材料介質強化過程

深耕化工過程綠色化降能耗

基于新材料介質的使用進行化工過程強化，能夠極大降低能耗并實現過程綠色化，降低碳排放，保護環境。分離是化學產品工業生產的重要環節，蒸餾、萃取等傳統分離技術普遍存在能耗高的問題。據統計，全球每年工業分離過程所消耗能量占全球總能量消耗的10%~15%。發展先進綠色分離技術，在生產燃料、塑料等大宗產品的過程中節約能耗，有助于緩解全球的能源緊張局勢，降低污染，減少二氧化碳排放。吸附分離和膜分離在很多分離體系中相對其他技術更節能高效，而這兩種技術的核心是吸附材料和膜材料的選擇。基于分子化學工程理念，團隊篩選/創制出系列金屬-有機多孔材料，用于乙烯和乙炔、丙烯和丙炔、丙烯和丙烷等低碳烴的吸附分離，功效良好，并研究了材料構效關系和吸附分離機理，相關結果發表在J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Chem. Commun.等上并申請了專利。應邀撰寫了多篇主題為“MOFs for Separations”的綜述文章（Chem. Rev. 2013, 8261, Chem. Rev. 2012, 869, Chem. Soc. Rev. 2009, 1477），受到廣泛關注，推動了相關領域的發展。

在膜分離方面，基于“金屬配位誘導”原理，提出了基于金屬-有機多孔材料的雜化膜和晶態薄膜的制備新方法，實現了膜結構和性能的有效調控，解決了雜化膜中多相易團聚和兼容性差的科學難題，制備出多種高性能分離膜，極具應用前景。相關結果發表在Angew. Chem., Adv. Mater.等期刊上。這些研究工作為綠色分離技術的發展提供了新材料支撐，并奠定了理論基礎。另一方面，新型非均相催化劑用于精細化學品合成，能夠提高催化效率，降低能耗，甚至改變工藝使過程更加綠色。金屬-有機多孔材料孔表面易進行分子層次的設計，進而引入各種催化活性點，是理想的催化劑。團隊設計制備了系列這類催化劑，對重要精細化學品制備相關的環烷烴鹵化反應（J. Am. Chem. Soc. 2017, 211）、酯化反應（Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 8388）、Heck反應（ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 2103）、醛加氫反應（ChemSusChem 2020, 205）、碳-碳偶聯反應（J. Am. Chem. Soc. 2020, 13491）等表現出高效且穩定的催化性能，極具應用價值。

著力污染物檢測與去除

發展環境保護

與食品安全技術

一些有毒有害有機物進入環境或食物鏈中，對環境和人類產生極大危害。研究有機污染物檢測與去除意義重大，開發新材料并發展相關技術一直受到普遍關注。例如，常見的揮發性有機化合物（VOC，如苯等）是大氣污染的主要元兇之一。團隊系統地評價了金屬-有機多孔材料對苯系物的吸附去除功效，揭示了結構性能關系并闡明了吸附機制，進而設計合成了幾種新材料，對空氣中痕量苯系物表現出優異的吸附去除性能，綜合吸附能力優于已有報道的所有吸附劑，相關結果發表在Cell姊妹刊Chem上（Chem 2018, 1911）。近期，也開展了臭氧降解去除的相關研究，取得了一些有意義的結果，可望助解臭氧防控這一“十四五”大氣環境治理的新難題。這些研究結果對相關基礎研究具有借鑒指導意義，發展的新材料與技術在大氣污染防控中具有潛在應用價值。另一方面，我國水污染問題也很嚴重。團隊篩選并設計合成了多種高穩定金屬-有機多孔材料，用于水中有機污染物檢測與去除，性能優異。例如，設計制備的BUT-12和BUT-13對水中抗生素分子具有很好的熒光檢測和吸附去除能力（J. Am. Chem. Soc. 2016, 6204，他引800余次，多次入選ESI全球TOP 0.1%熱點論文）。這一工作開拓了這類新材料在污水處理中的應用探索。此外，也設計構筑出一種具有合適孔尺寸的金屬-有機多孔材料，對號稱“世紀之毒”的二噁英表現出優異的選擇性吸附和熒光檢測能力，具有潛在應用價值（Nature Commun. 2019, 3861）。還制備了可變色的金屬-有機多孔材料，可快速高效且具有選擇性地檢測和吸附去除水中的有機胺分子。有機污染物也容易進入食物鏈，導致食品安全問題。團隊設計合成的多種金屬-有機多孔材料可有效地檢測或去除食品中可能存在的獸藥、飼料添加劑、瘦肉精、有機砷藥物分子等二氧化碳，相關結果發表在J. Hazard. Mater., Environ. Sci. Nano等期刊上。也就相關主題在CheETal Reviews上發表了題名為“MOFs for Food Safety”的綜述文章（Chem. Rev. 2019, 10638）。

未來，團隊將繼續圍繞綠色、節能、低碳、環保深入探索并開發新材料、優化性能、強化過程、推進其應用。夯實基礎，守正篤新，久久為功，為國家早日實現碳達峰、碳中和宏偉目標貢獻綿薄之力。

團隊部分師生合影

團隊部分獲獎證書

李建榮教授獲“亞洲杰出科研工作者和工程師獎”

李建榮教授2017-2020年

入選科睿唯安“全球高被引學者”

Nature Energy, JACS, Small期刊封面論文

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