来自 时代科技 2019-10-01 06:58 的文章
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大师论坛,中国科学报

报告结束后,杨培东还与参会同学进行了互动交流,同学们就CO2还原的实验体会、人工光合作用的前景、如何平衡好工作与生活等问题与杨培东进行交流。

2005年6月,杨培东及其合作伙伴Majumdar研发出世界上第一个液体纳米晶体管。

  (编辑 赵习钧 侯若雪)

之后,杨培东又指出真正的挑战是二氧化碳还原的催化剂设计,尤其是考虑到在光催化反应体系中二氧化碳还原和光解水的强烈竞争关系。在杨培东课题组已实现二氧化碳还原较高的选择性前提下,如何实现多电子转移过程便成为了另一难题。基于该挑战,杨培东又提出了另一创造性的概念,利用一些厌氧菌所具有的高效二氧化碳还原效率以及多电子产物高选择性的特性,在人工催化剂中引入细菌进行催化。令人激动的是,细菌可以在半导体上存活并且在界面上建立有效的电子转移,第一次真正实现了人工光合作用。虽然当时的效率仅为0.4%,但已接近自然界光合作用。在第二代设计中,杨培东课题组将反应分成两步,利用分解水产氢来还原二氧化碳为甲烷,效率大大提高至10%。而第三代的设计便如科幻一般,在细菌培养过程中通过表面改性并生长硫化镉量子点,赋予其吸光能力,从而极大提高了催化剂性能。这三代设计实现了半导体与生物体的有效结合,提供了利用二氧化碳及太阳能高效合成化学衍生品的可能性。

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金沙澳门官网官方网站首页,金沙澳门官网4066,  促进电子—空穴在催化剂内部的分离和传输以及提高载流子在催化剂表面的反应速率已成为人工光合成领域的研究热点。天津大学化工学院教授巩金龙课题组一直在努力。

10月29日晚,中国科学技术大学校友、国际顶尖纳米材料学家、美国人文与科学院教授及美国国家科学院院士杨培东做客中国科大“大师论坛”,并作精彩报告。报告会由中国科大党委副书记蒋一主持。

他本可以沿着这个方向一直做下去。一次,他和一位生物学家聊天,对方说到自然界除了酶催化,还有细菌催化,比如酿造啤酒就是一个细菌催化的过程。犹如醍醐灌顶,他突然想到,能否把细菌用来做催化剂和纳米导线相结合。这一“异想天开”的想法,不被任何人所理解,在申请美国科研基金时也被拒绝。他没有轻言放弃,“二氧化碳+水”这个化学方程式在他看来,是一个可以创造奇迹的过程,只要有合适的催化剂,不仅可以变成氧气,还可以变成燃料和化学品。他确实创造了奇迹,他的团队在实验室复制了植物光合作用,实现了人工光合作用0.38%的转化效率,当时这一数字已经与植物的转化率相当,前两年达到了0.5%,最新的数据是8-10%。

  “我们想让激发生成的电子高效且高选择性地参与水或者二氧化碳的还原反应,而这一特殊的纳米结构对还原反应的发生有帮助。”巩金龙告诉《中国科学报》记者,“从而实现太阳能向氢能和碳氢燃料的高效转化。”

报告中,杨培东提出了能源短缺与二氧化碳排放导致变暖的全球危机问题。为了解决这一问题,需要将现有能源中传统化石燃料的比例大幅度降低,使用更多的可再生能源。杨培东介绍了在实验室中如何通过人工光合作用将太阳能有效利用转化为化学能,该方法的好处在于可以同时解决能源转化及储存这两个问题,仅利用太阳能就可以实现自然界碳循环。

纳米是我们9年义务教育中知道的最小单位,而这个“最小单位”中还有着无数的秘密需要我们去探寻。他是杨培,1971年8月出生于中国江苏省苏州市,纳米材料学家,美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士,加州大学伯克利分校化学系S.K.和Angela Chan杰出能源教授和化学教授,上海科技大学物质科学与技术学院院长。

  提升二氧化碳还原效率

杨培东,1993年获中国科学技术大学化学学士学位,曾获“郭沫若奖学金”,1997年获哈佛大学化学博士学位,现任加州大学伯克利分校教授。他在半导体纳米线的合成及其在光子和能源应用方面做出了开创性的研究成果。他的杰出工作获得了众多奖项,包括:麦克阿瑟天才奖、E. O.劳伦斯奖、美国化学学会纳米科学奖、美国材料学会奖章、Baekeland奖章、阿尔弗雷德·斯隆奖、贝克曼青年研究员奖、美国国家科学基金会青年科学家奖、MRS青年科学家奖、朱利叶斯·施普林格应用物理学奖、ACS纯粹化学奖及艾伦·沃特曼奖等。2011年,杨培东入选汤森路透社“全球最优秀的100名化学家”榜单中第10名,同时入选“十年中最优秀的100名材料科学家”榜单中第1名。

做科研要有辨识度,这是杨培东在采访中说得最多的一句话。“术业有专攻,每个科研人员都要让自己有辨识度,要让别人在15秒钟想起他做了什么工作,否则大家都是一张脸谱。”

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为了实现这一设想,半导体吸收太阳光与催化反应的结合便成为关键难点。在介绍了自然界中植物光合作用的工作过程后,杨培东就人工光合作用的科研发展历程进行了详细介绍。ArthurNozik等人早在70年代就提出了基于光二极管的设计想法,但是由于材料的不完善性使得该设计近几年才在杨培东的实验室有了大的突破。理论上这一设计可以达到很高的效率,但传统平整表面上的有限催化活性位点难以有效地利用半导体所产生的大量光生电子,实际效率受到了极大的限制。杨培东课题组使用高比表面的三维结构替代二维平面半导体结构,在阴极采用硅纳米线阵列,并以氧化钛纳米线作为阳极,在表面上修饰催化剂后实现了单光源的人工光合器件。

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  因此,课题组研究人员围绕水分解的表面反应路径、机理开展研究。他们为水氧化生成氧气的两步串联反应设计了“双助催化剂”的体系,利用四氧化三钴和碳量子点双助催化剂协同促进水氧化过程中动力学更快的两电子路径,从而提升整体的水分解效率。

实际上,光合作用无处不在,而要实现人工光合作用却是科学上一大难题。“我们在实验室实现了人工光合作用8-10%的转化效率,已超过了植物的转化率。最近加入了美国宇航局的火星计划,火星上95%是二氧化碳,希望未来能把人工光合作用搬到火星上。”杨培东曾表示。

  另一条思路是提高光生载流子在催化就表面的反应速率。博士生常晓侠、李盎等分别利用p型四氧化三钴“产氧助催化剂”与n型光阳极构建的p-n异质结,以及含有金属铂、氧化锰的二氧化钛空心球结构,达到了提高电子和空穴分离的效率及表面产氧反应速率的双重效果。

杨培东就是这么一位有辨识度的科学家。在哈佛大学攻读博士学位时,他身边几乎所有的人都在研究碳纳米管,他不愿意随大流,选择了半导体纳米导线这个方向,研制出世界上第一个纳米导线激光器。之后他在这个领域创下的不俗成就,也使得他成为了2014年诺贝尔奖的热门人选。

  该课题组博士生张冀杰等利用溶剂热条件下的阴离子交换法,成功制备了具有多孔片状结构的系列铋系二元氧化物阳极半导体材料。“这些材料缩短了光生载流子从体相到达表面的传输距离,同时增大了材料的比表面积。”研究人员介绍,“利用该新型方法制备的催化剂材料光催化水氧化活性有了显著的提高。”同时,该团队博士生李盎等设计了由TiO2-In2O3薄层异质结构成的空心球结构则达到传统二氧化钛催化剂的两倍多。

2002年2月,杨培东领导的小组在美国《纳米通讯》杂志上报告说,他们已成功地找到一种制造“多层结构”纳米线的方法,能够使硅和锗这两种不同的材料交织组成单根纳米线。这些线的尺度在纳米水平,最细的达到20纳米。

  科学原理的创新

1993年杨培东获得中国科技大学应用化学学士学位;1997年获得哈佛大学化学博士学位;1999年进入美国加州大学伯克利分校化学系任教,先后担任助理教授、副教授、终身教授;2001年至2004年连续获得美国阿尔弗雷德·斯隆奖;2003年被美国“技术评论”杂志列入世界100位顶尖青年发明家;2004年获得美国材料学会青年科学家大奖,是第一位获得该奖的中国人;2007年获得美国国家科学基金会沃特曼奖;2011年入选汤森路透集团遴选的最优秀的100名化学家榜单中第十位,同时入选了10年中最优秀的100名材料科学家中第一位;2012年4月当选美国艺术与科学院院士。2014年出任上海科技大学物质科学与技术学院院长。2015年9月获得美国麦克阿瑟天才奖。2016年5月当选美国国家科学院院士。

  本报讯(记者 甘晓)化学工程科学家们一直致力于利用太阳能和半导体光催化剂,以期通过“人工光合成”,把二氧化碳和水转化为碳氢化合物或氢气,实现碳循环和新型能源开发利用。

2003年4月,英国《自然》杂志刊登了杨培东研究组发表的单晶体氮化镓纳米管论文,这种纳米管耐久、性质一致,有优良的光电性能。

  在人工光合领域中,科学家已经了解,在太阳光的激发下,半导体光催化剂吸收光子产生电子—空穴对。在业内人士看来,促进电子—空穴在催化剂内部的分离和传输以及提高载流子在催化剂表面的反应速率已成为人工光合成领域的研究热点。

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  不过,科学家们观察到,电子和空穴结构非常容易发生复合而无法参与上述的两类还原反应。围绕这个科学问题,巩金龙带领课题组以太阳光激发半导体材料所生成电子和空穴的高效利用为主要思路,开始尝试设计制备催化剂体系。研究人员介绍,这些工作旨在抑制电子和空穴的复合,促进两者的分离并且顺利迁移到催化剂表面与吸附的反应物发生反应,同时提高表面反应速率,从而提高光能—化学能的转化效率。

2014年4月17日,杨培东团队在人工光合作用方面取得划时代(Game-Changing)的科研成果。

  “光解水”催化剂的新方法

“做科研有三个层次。第一层是跟进式的二次创新,其实,这不应在高校和科研院所做,而更适合在企业做,往技术方面发展;第二层是在一些冷僻领域里做原创,当然也有可能是错的,这需要时间去考证;第三层是在现有的成熟领域,有很多从0到1的原创性工作可以做,这样的工作就具有很高的辨识度。”杨培东说,如果习惯了去做跟进的事情,就不会去啃“硬骨头”,人也就有了惰性。如果想让自己的科研工作有辨识度,首先要有原创的态度。

  促进光生载流子的分离和传导,抑制电子—空穴的复合是提高载流子利用效率的有效手段之一。而通过纳米多孔材料的设计制备,缩短光生载流子的传输路径则可有效抑制电子—空穴的复合。

2001年6月,杨培东的研究小组在《科学》报道说,在只及人类头发丝千分之一的纳米导线上制造出了世界上最小的激光器——纳米激光器,这一发明将有可能用于未来的光子计算机。

  巩金龙表示,除了对电子—空穴传导和分离的促进,在人工光合成反应中,载流子在催化剂表面的反应路径、机理研究同样重要,有助于催化剂的定向设计合成,进一步提升光能转化效率。

杨培东主要研究内容为一维半导体纳米结构及其在纳米光学和能量转化中的应用,包括人工光合作用、纳米线电池、纳米线光子学、纳米线基太阳电池、纳米线热电学、碳纳米管纳米流体、低维纳米结构组装、新兴材料和纳米结构合成和操控。

  多年来,在国家自然科学基金的支持下,天津大学化工学院教授巩金龙课题组的多项创新性工作通过对催化剂的修饰和改性,提高了人工光合效率。

2016年,在《Science》杂志发表论文报告了一种将非光合作用的细菌改造成一种可以进行光合作用的系统。

  《中国科学报》(2016年10月31日第6版)

杨培东团队利用半导体纳米导线的性质,提出了人工光合作用的可行性方案。图片来源:nanowires.b

  基于科学原理上的创新,巩金龙课题组在光解水制氢催化剂设计制备上取得多项了进展。

  中国科学报:

  巩金龙表示,多年来,在国家自然科学基金和国家重点研究计划的支持下,我们课题组在人工光合成领域取得了一定的进展。但是由于该过程的反应历程复杂,其中的很多机理仍有待进一步解析。未来的工作力争从微观、动态的角度揭示人工光合成反应的微观机理,从而进一步指导光催化剂的高效合成,实现光能向化学能的高效转换。

  随着社会经济的快速发展,化石能源的过度消耗造成了二氧化碳的大量排放,导致了全球性的能源和环境危机。为解决这一问题,化学工程科学家们一直致力于利用太阳能和半导体光催化剂,以期通过“人工光合成”,把二氧化碳和水转化为碳氢化合物或氢气,实现碳循环和新型能源开发利用。

  同时,对于水溶液中的二氧化碳还原反应,研究人员针对水溶液中产氢副反应严重的现实问题,对电子在催化剂表面的反应路径进行了引导。“我们充分利用了一氧化二铜表面的特殊反应位点,有效抑制了质子还原副反应的发生,提升了含碳产物的选择性。”该课题组博士生常晓侠介绍。

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