催化科技筑梦　书写青春赞歌

　　文／杨　烁　朱　琳

　　甲烷被认为是可替代化石燃料的能源之一，在我国储量丰富。通过适当的手段可将甲烷转化为更高附加值的化学品，然而由于甲烷的稳定性及热力学障碍，往往需要高温高压的环境才能驱动甲烷进行转化。这不利于我国构建节能减排型社会，也不利于我国实现“碳中和”目标。氨肥对农业生产意义重大，我国氨肥的生产主要依赖于工业合成氨过程，耗能巨大，整个生产工艺过程中带来大量温室气体二氧化碳的排放，不利于环境友好。因此，针对这两种对我国工农业意义重大的气体小分子转化，亟须发展绿色减排的转化新技术。光催化技术凭借其绿色、环保、高效的优点备受关注，成为近年来的研究热点。华东理工大学化学流动站博士后吴仕群，更是在光催化惰性气体小分子转化这一领域独领风骚，取得了许多的创新成果。

　　着眼前沿，稳步前行

　　2021 年，吴仕群博士毕业于华东理工大学，同年进入华东理工大学化学博士后流动站，在导师张金龙教授的指导下，一直坚持开展光催化研究，包括光催化甲烷转化、光催化合成氨及光催化污染物降解等，涉及无机材料、纳米材料的设计及制备，纳米材料的结构及物理化学性能表征，材料光催化性能的研究及反应机理的探索等。

　　吴仕群在光催化领域一直关注前沿科技，并在团队的支持下不断创新。他所在的欧洲科学院张金龙院士团队在光驱动甲烷催化转化研究领域取得重要进展。相关成果“Ga-doped and Pt-loaded Porous TiO2-SiO2 for Photocatalytic Nonoxidative Coupling of Methane”在线发表于《美国化学会志》杂志，并入选补充封面文章，吴仕群为第一作者。论文指出，甲烷储量丰富，因其可转化为高附加值的碳氢化合物而被认为是可替代石油能源的资源之一。其中，甲烷非氧化偶联是甲烷转化的有效途径之一。然而传统热催化甲烷偶联耗能巨大，容易导致产物选择性低及催化剂的积碳失活，而光催化利用光能驱动反应，可大大降低反应温度，实现绿色能源转化。

　　在光驱动甲烷催化转化反应中，对甲烷进行有效活化及提高产物的选择性和稳定性一直以来都是研究的难点，缺乏对反应机理的深入研究。为此，他和团队成员利用镓掺杂及铂负载的多级孔氧化钛氧化硅材料作为光催化剂，在常温条件下实现了高效光驱动甲烷转化，对乙烷的选择性达到90%。通过进一步的机理探索，发现镓掺杂有利于稳定氧空位处的电子，促进正价铂的形成。正价铂更有利于C-H 键活化，零价铂助光生电子转移，两者形成协同活性位点，促进甲烷的活化转化，为高效甲烷光催化剂的制备及改性提供了理论指导。

　　另外，该团队在多孔材料负载掺杂改性及选择性催化转化氮气分子领域也取得了重要进展，相关成果“Single-Atom High-Valent Fe（IV）for Promoted Photocatalytic Nitrogen Hydrogenation on Porous TiO2-SiO2”在线发表于催化领域权威期刊ACS Catalysis，吴仕群为第一作者。光催化固氮是化学催化领域新兴的热点研究之一。光催化固氮利用太阳能作为驱动能将氮气与水在常温常压下合成氨，能够解决传统热催化合成氨耗能大的问题。然而，氮气分子具有稳定的氮氮三键，难以发生化学反应，如何有效活化氮气是该领域的重点及难点。此外，研究者们聚焦于氮气的活化及还原，而往往忽视了协同的光催化水氧化及竞争的光催化析氢反应。如何促进氮气有效活化及探究光催化合成氨过程中的协同反应机制具有重要的科学意义。

　　基于此，该团队设计了一种单原子铁改性的大孔- 介孔氧化钛氧化硅材料用于探索光催化合成氨过程中的协同作用机制。研究表明，光生空穴倾向于定域于单原子铁位点，促进单原子高价铁的形成，该单原子高价铁有利于促进邻近氧空位处吸附氮气的加氢过程，并作为产氧的高活性位点促进光催化产氧、抑制析氢反应，因此取得了优异的光驱动合成氨性能。此项研究深入探讨了光催化氮气加氢及水氧化间的耦合机制，为合理设计合成氨光催化剂提供了理论指导。随后，该团队将该核心材料镶嵌在亲水碳布上用于太阳光下的氮肥生产及农业施肥。所设计制备的产品为光控施肥布，是市面上唯一的光控施肥产品，将施肥布铺设在土壤表面，经过阳光的照射就能为土壤施加氮肥。由于该产品为光控施肥，相比传统施肥更加温和、缓慢、持久，更有利于植物吸收。该产品运输、使用、回收方便快捷，亲水碳布吸光及保湿性能良好，更有利于施肥效果。该产品在实际植物施肥过程中取得了良好的效果，与多家公司达成合作意向，并获得全国博士后创新创业大赛奖。相信该项目的开发能够为新型农业施肥提供新方式，为我国构建节能减排型社会贡献一份力量。

　　科研是通过科学的方法和手段发现、探索、解释大自然和人类社会间未知事物的过程，也是用科学的方法产生新的知识的过程。正是这种未知性和新认识带来的愉悦感，让吴仕群一直坚守着自己的科研梦想。在攻读博士期间，他就荣获本校博士生国家奖学金和优秀学生、上海市优秀毕业生称号，入选张江树优博重点培育计划。博士后期间获得上海市创新创业大赛优胜奖、全国博士后创新创业大赛优胜奖，以第一作者或通讯作者身份发表SCI 论文11 篇，其中7 篇为中科院一区论文，公开发明专利5 项。主持国家基金委项目1 项、上海市科委项目1 项、博士后科学基金项目1 项，入选2022 年全国博士后创新人才支持计划和上海市超级博士后激励计划。面对未来，他的步伐依然执着而坚定。

　　点滴积累，汇流成海

　　独木难成林，滴水难成海。吴仕群深知，无论是科研还是学习，单打独斗永远跟不上时代的脚步。因此，除了完成团队的科研任务，他总是积极参加各种交流会议，努力提升自己的学科素养。近年来，他先后受邀参加了先进材料及应用暨中日韩学术交流会、第三届华人光催化会议、第三届能源与环境催化会议和第四届华人光催化会议等会议，并受邀作口头报告，获得广泛好评。

　　尤其是在“研究生如何快速高效进入科研状态”这个话题方面，吴仕群非常有话语权。为此，他总结了七条经验：一是学会时间管理。将更多的时间用于做更正确的事情。根据事情的轻重缓急和重要性进行评估和时间分配，利用不同的时间段完成复杂程度不同的事情，提高工作效率。二是保持良好的心态。失败是成功之母，科学研究更是如此，大部分情况都要面临失败，只有保持好心态才能不被挫折击倒。三是注重积累和学习习惯的养成。关注科研动态、关注各类学术公众号和大牛课题组网站，每天坚持的点滴学习都会产生潜移默化的积极影响。四是恪守学术诚信。学术诚信是科学精神的基底，切勿急躁和急于求成，应具备批判思维，科学的核心是严谨求是，不要过于迷信他人的研究成果。五是凡事早做准备。笨鸟先飞，提前关注各类相关动态，为各类目标做好规划并为之积极准备。六是建立良好的人际关系。科研工作离不开他人的帮助与协作，保持良好的关系有时能事半功倍。友谊也能化解科研过程中的不良情绪。七是坚持锻炼，保持健康。身体是革命的本钱，良好的身体状况也是科研顺利进行的保障。

　　铸就科技强国，早日实现中国梦是中华人民的美好夙愿，是科技工作者的理想追求。科学技术作为第一生产力已成为当代经济发展的决定性因素之一，也是国家富强、民族振兴的重要条件。高校研究生是科学研究的主力军，提升研究生的科研能力及效率对于我国科技水平的快速发展意义重大。因此，吴仕群在不断提升自身能力的同时，也在积极培养更多的新时代科研工作者，从而积蓄力量，共同书写属于这一代科研工作者的青春赞歌。

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