香港中文大学（深圳）研究助理教授涂文广 用太阳能合成燃料 为绿色未来谋新篇

　　2016 年4 月，《联合国气候变化框架公约》签署，宣告全球将尽快实现温室气体排放达标，力争在本世纪下半叶实现温室气体（CO2）净零排放。2020 年9 月，中国在联合国大会宣布“中国CO2 排放力争2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”。自2020 年“双碳”目标确定以来，全面推进节清洁能源和低碳生活的发展已成为中国能否迈向新时代生态文明建设的关键。对中国而言，要从以化石能源为主向以清洁能源为主转变。

　　探索稳定控制大气中CO2 总量的方案，使其固定化以及资源化利用是各国政府和科学家的重大研究课题，如何低能耗、绿色、高效地将CO2 直接转化为太阳燃料是急需解决的科学难题之一。将太阳能转化为化学能，如太阳能分解水制氢、还原CO2 制备碳氢燃料，这些技术可以从源头上减少对传统化石能源的依赖，实现CO2 的资源化利用，对于应对全球气候变化、节能减排、净化环境、实现“双碳”目标具有重要的现实意义。但不可否认的是，太阳能转化效率低制约了其实际应用。

　　基于纳米尺度结构和材料的特殊物理、化学性质发展，香港中文大学（深圳）理工学院研究助理教授涂文广围绕CO2 高效能源化所面临的量子效率低和表- 界面等关键科学问题，取得了优秀的创新性学术成果。

　　变“废”为“宝”

　　将CO2 转化为碳氢燃料是涂文广所思所想，他也为此费尽心血和汗水。

　　植物光合作用以太阳光作为驱动力，利用H2O 为还原剂将CO2 还原为碳水化合物，其本质是一个氧化还原过程。该过程利用太阳能实现了CO2 的能源化，不需额外能量，不引入或排放有害物质。师法自然，利用太阳能激发半导体光催化剂所产生的光生电子还原CO2 为甲醇、甲烷、甲酸等太阳燃料，将太阳能转变为化学能，同时能够有效减少CO2 排放。一般而言，半导体光生载流子的利用率是决定CO2 转化为碳氢燃料效率的关键因素之一，但半导体的光生电子与空穴复合率很高，只有很少部分参与了光催化反应，导致其利用率很低，很难高效地还原CO2。解决这一问题的有效方法之一是通过构建光生载流子的快速迁移通道，抑制电子与空穴复合，从而提高CO2 转化为碳氢燃料的效率。

　　基于此，涂文广率先研究了石墨烯对人工光转化CO2 为碳氢燃料反应的影响。他利用二维单层石墨烯优异的电学性质，率先将石墨烯引入光催化还原CO2 体系，制备出功能化的TiO2– 石墨烯复合材料，首次实现常温、常压下CO2 的C-C

　　耦联反应。相对于高温C-C 耦联技术，利用石墨烯在常温、常压条件下实现CO2 的C-C 耦联，减少了高温下反应物焦炭化的概率。该方法具有突出的优势，开启了石墨烯在催化C-C 耦联反应中新的研究方向，并展示了潜在的应用前景。该研究成果获得了国内外学术界的一致好评。同时，涂文广还进行了表面等离激元的局域场增强效应在光催化还原CO2和C-C 耦联反应研究，通过Au 表面的强局域场提高半导体的光生载流子的生成和分离，提供更多光生载流子用于生成C2H6，实现常温、常压条件下CO2 的C-C 耦联，为表面等离子激元作为新型光场调控技术在光催化技术的发展开辟了新的方向和思路。

　　涂文广再接再厉，构建起高效全固态Z 型光催化体系，对人工光转化CO2 为碳氢燃料的机理进行了研究。通过对植物光合作用的细致研究发现，其主要是通过两个光激发过程和一系列氧化还原中间体形Z 型（Z-scheme）反应，来实现由CO2 和水产生碳氢化物和氧气。此外，涂文广首次在该工作中创新性提出利用间接光转换效应验证人工Z 型光催化体系中载流子的传输，获得学术界的普遍关注和认可。

　　“绿”益求“绿”

　　上述学术成就的取得，离不开涂文广持之以恒的精神支撑和孜孜不倦的努力拼搏。2015 年6 月，他于南京大学获得博士学位，专业方向为凝聚态物理。随后，他在新加坡南洋理工大学开展博士后阶段的科研工作，并于2020 年6 月学成归国。2021 年，他被评为深圳海外高层人才（B 类），并入选科睿唯安2021 年度“高被引科学家”名单（交叉学科）；2022 年，他被评为深圳市龙岗区深龙英才（B 类）。

　　回国后，涂文广加入香港中文大学（深圳）“高效光催化材料基础研究创新团队”。该平台是以由中国科学院邹志刚院士为学术带头人的广东省珠江人才计划- 引进创新科研团队为基础创建，致力发展成在新材料、大数据、新能源等领域具有国际化影响力的一流科研平台。涂文广主要发力于原有的研究领域，继续聚焦在低维光电材料表界面结构的精准设计与构建用于太阳能驱动下的小分子转换，包括CO2 还原、光驱动C-N 反应。

　　通过醇和胺的C-N 耦联是工业中合成不同有机胺的重要反应路径，而这一过程往往需要在高温高压等较苛刻的条件下进行。涂文广开发了一种单原子光催化剂CdS-Pd，该催化剂可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N 耦联反应，获得具有工业应用价值的二级胺，反应过程中同时释放出清洁能源氢气。这一工作将为温和条件下实现C-N 耦联反应提供一种新的途径。而涂文广正沿着这一思路在学术征程上继续奋进。

　　在外层空间的严酷环境中，维持航天员最基本的生存需求是人类外太空工程首先要解决的问题。地外人工光合成技术主要利用人类呼吸的CO2 和月球上原位开采的水资源产生氧气和碳氢化合物，有望成为月球的原位资源利用技术之一。作为月球上最丰富的资源之一，月壤是月球原位资源利用的重要组成部分。与地球上的催化剂相比，月壤或月壤提取成分作为月球上的人工光合成催化剂，可以大大降低航天器的载荷和成本。“嫦娥五号”月球样品为实现地外人工光合成提供了一个很好的机会。涂文广在邹志刚院士平台参与了利用月壤光催化CO2 还原为CH4 的工作，该工作展示了建立适应月球极端环境的原位资源利用系统的应用潜力，被新华社等媒体广泛报道。

　　托举绿色未来，不仅是中国因积极应对气候变化而践行大国责任，也是基于科学论证的大国行动策略和高效方案，既是基于现实需要的行动目标，也是高瞻远瞩、先人一步的发展战略。这些发展战略的实施和相关政策的不断推进给青年学者带来了难得一遇的事业发展机会。涂文广将继续在清洁能源域不断钻研求索，厚积薄发，相信其终将有所成就，造福社会。