专注能源科技　智揭催化奥秘

　　文／杨　烁

　　为应对全球气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”等庄严的目标承诺。在碳达峰、碳中和背景下，二氧化碳再利用的重要性突显。有专家称，CO2 电催化还原或许可以助力实现这一目标，因此我国政府对高效CO2 电催化等体系的转化研究关注度越来越高，市场前景非常广阔。这吸引了大批对该领域研究兴趣浓厚的青年科研工作者的加入，韩娜和她所在的团队便是其中的佼佼者。

　　打破技术瓶颈，提升CO2 电催化性能

　　众所周知，尽管目前新能源产业不断发展，但化石能源在目前全球能源结构中仍占据主导地位，每年会排放大量二氧化碳，使得大气中二氧化碳含量过高，导致温室效应。为保护生态环境，降低大气中的二氧化碳含量刻不容缓。CO2 电催化还原可以利用被排放出的二氧化碳废气，达到保护环境的目的，也可以在一定程度上替代化石能源生产化学品，缓解能源危机。韩娜学习期间便在导师的指导下对此有了深入了解，并在电催化CO2 还原领域开展了一系列创新研究。

　　长期以来，有机大环分子导电性差、活性位点利用率低都是电催化CO2 还原领域的传统难题。针对这一难题，韩娜凭借扎实的专业知识，提出可以通过引入碳纳米管导电骨架，发展载体诱导原位聚合的材料合成策略，进而利用载体和有机分子之间的电子耦合效应，促进催化活性位点的充分暴露，大幅提升电催化二氧化碳的催化性能。

　　据韩娜介绍，过渡金属酞菁、卟啉等大环分子是较早被研究的一类分子电催化材料，具有良好的电化学CO2 还原潜力，但是由于它们共轭分子之间的π-π 堆垛效应，极易结晶形成微米尺寸晶体而造成活性位点被大量掩埋（通常有效暴露率＜ 1%）、导电性低、电催化性能差。为了打破这一技术瓶颈，韩娜开启了执着忘我的科研旅程。

　　功夫不负有心人。在团队的大力支持下，韩娜在国内率先提出并发展了利用碳纳米管作为导电骨架，诱导分子原位聚合的材料合成策略。通过快速微波加热的方法，在碳纳米管表面均匀地生长厚度可控的过渡金属聚酞菁/ 聚卟啉高分子层，既有效地丰富了表面暴露的电催化活性位点密度，又显著提升了材料的导电性和稳定性。

　　实践证明，通过该技术获得的聚酞菁钴- 碳纳米管复合材料在中性电解液中展现出优异的电催化CO2 还原性。且电化学测试表明，其催化活性位点的有效暴露率达到14.5%，在较小的过电势下实现了＞ 90% 的CO 选择性和优异的催化转化频率（TOF），特别是在0.5V 过电势下TOF 值达到4896 h-1，是伯克利大学Christopher Chang 教授2015 年在 Science 报道同类型催化材料的50 倍以上，受到相关领域的极大关注。

　　为了进一步提升科研成果的价值，韩娜积极推进该成果的生产力转化，目前已经成功将该材料拓展到CO2 还原制液态甲醇产品的研究领域中，实现了高达30% 的甲醇选择性，充分发挥了酞菁钴分子催化剂的独特的结构优越性和电催化潜力，为CO2 的充分利用和环境保护提供了科技支撑。

　　原位拓扑还原，挖掘甲酸价值

　　科研创新离不开一双发现的眼睛，只有在发现中才能实现专业基础理论的突破，才能强化自主创新成果的源头供给。据了解，电催化二氧化碳还原是利用电化学手段在较温和的反应条件下将二氧化碳还原生成一氧化碳、甲酸、碳氢化合物、醇等化学燃料的过程，在所有这些还原产物中，甲酸具有最高的经济价值。铋是一种能够把二氧化碳选择性还原生成甲酸的电催化材料，但由于金属铋块体本征活性低，对二氧化碳还原反应中间体（OCHO*）的吸附能力较弱，因此之前并未引起人们的关注。

　　韩娜敏锐地发现了其中的原理，在团队成员的共同努力下，率先发现了铋纳米材料具有与块体材料迥异的催化活性，发展了原位拓扑还原（topological reduction）的方法，以碘氧化铋（BiOI）和碳酸氧铋（Bi2O2CO3）纳米片为模板，还原制备出仅有几个原子层厚度的铋纳米片。在还原过程中，由于晶格收缩畸变在铋纳米片中引入丰富晶界，造成大量局部配位不饱和环境，强化了对OCHO* 的吸附能，显著提升了材料的电催化性能，在较低过电势下和较宽电压窗口内实现了接近 100% 的甲酸选择性。

　　总而言之，韩娜通过发展原位拓扑还原的方法，借助晶格畸变引入丰富晶界，系统研究了铋基纳米材料的电催化二氧化碳还原性能，通过结构缺陷的引入构筑局部配位不饱和环境，稳定反应中间体，优化甲酸产率和选择性，在电催化二氧化碳还原的研究中取得了创新性的突破，也为自己开辟了更加广阔的科研之路。

　　不畏挑战，提升CO2 还原催化稳定性

　　在众多的催化材料中，钯具有奇异的催化特性，是目前已知的唯一能够在接近零过电势下实现二氧化碳还原生成甲酸的催化材料。然而，钯对CO* 具有极强的吸附能力，在二氧化碳还原反应中易受微量CO* 的毒化作用而导致迅速失活，影响了CO2 还原催化的稳定性。

　　为了解锁这一难题，韩娜和团队成员翻遍了相关资料，虽然没有找到具体方法，却找到了思路。在此基础上，她进一步研究提出了合金化策略，通过将钯与具有较低功函数的金属进行合金化，利用协同电子效应削弱CO* 吸附，增强抗毒化性能。以Pd-Ag 合金为例，发展了低温溶液法，借助季铵盐阳离子表面活性剂的结构导向作用，合成了形貌均一、组分可调的合金纳米材料，首次实现了在较宽电压区间内优异的抗毒化性能和长时间催化稳定性。

　　经过电化学分析，与纯钯催化剂相比，合金催化剂在二氧化碳还原至甲酸反应中表面CO* 毒化率降幅超过50%。这一学术思想也成功指导了团队中Pd-Cu、Pd-Bi 等固溶体型（solid solution alloys） 或金属间化合物型（intermetallic alloys）合金纳米材料等研究工作。这些研究成果初步解决了长期困扰钯基催化材料的一个重要科学难题，推动了此类材料的潜在应用，也让韩娜和团队成员在催化材料研究的道路上越走越远。

　　唯创新者进、唯创新者强、唯创新者胜，谁能在创新上先人一步、快人一拍、高人一筹，谁就能在激烈的竞争中抢占先机。在世界能源科技竞争激烈的今天，苏州大学功能纳米与软物质研究院以功能纳米材料和软物质为主要研究对象，面向新型能源、绿色环境、生物医学、信息科学四大领域，在功能纳米材料和软物质结构的设计、制备合成等方面进行学科交叉性的理论和应用研究，力求把自身建成高水平的学术研究平台和技术交流平台，并将加强化学、物理学、材料学、电子学、生物医学等学科的交叉与融合，积极培养高级复合型人才和学术梯队，推动纳米和软物质技术的产业化，培育高新技术经济增长点。能够在这样的平台工作和学习，韩娜倍感自豪，并无比坚定地相信，在学院全体成员的共同努力下，必将为我国能源科技的发展做出更大的贡献。

　　前行，用梦想做帆

　　如今，韩娜关于CO2 还原的科学研究工作已在国际上受到广泛的关注、认可和引用。其中，清华大学李亚栋院士、滑铁卢大学陈忠伟院士、美国凯斯西储大学戴黎明院士、澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授、莱斯大学汪淏田教授、加拿大不列颠哥伦比亚大学Curtis P. Berlinguette 教授、法国巴黎大学Marc Robert 教授、德国柏林马普学会弗里茨·哈伯研究所界面科学系主任Beatriz Roldan Cuenya 教授、美国麻省理工大学Karthish Manthiram 教授等海内外知名专家学者均在他们的论文中对韩娜的研究成果给予了高度评价。此外，韩娜还受邀撰写了多篇综述，在学术界影响颇深。

　　2018 年，韩娜入选博士后创新人才支持计划，2019 年获江苏省优秀博士论文、2021 年获江苏省高等学校科学技术研究成果二等奖（第二完成人）、苏州大学优秀青年学者等荣誉奖励。另外，她还获得姑苏青年创新领军人才、博士后面上项目、江苏省博士后科研资助、国家公派访问学者等项目资助，目前主持国家自然科学青年基金1 项（21902114），国家自然科学基金面上项目1 项。她用事实诠释着科技发展的“中国速度”。

　　爱因斯坦说过，兴趣是最好的老师。孔子也说过，好之者不如乐之者。可见，要在一项事业中取得成绩，除了坚持不懈，还要在兴趣的促使下心无旁骛地孜孜以求。韩娜正是这样做的。未来，她将继续把这种坚定的信念贯穿在科研和教学中，为我国能源科技的发展注入更多的新生力量。

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