中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员:探索科研之美,开辟光催化领域新天地

摘要:张铁锐,中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师,中国科学院光化学转化与功能材料重点实验室主任。吉林大学化学学士(1994-1998),吉林大学有机化学博士(1998-2003)。之后,在德国(2003-2004)、加拿大(2004-2005)和美国(2005-2009)进行博士后研究

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张铁锐,中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师,中国科学院光化学转化与功能材料重点实验室主任。吉林大学化学学士(1994-1998),吉林大学有机化学博士(1998-2003)。之后,在德国(2003-2004)、加拿大(2004-2005)和美国(2005-2009)进行博士后研究。2009年底回国受聘于中国科学院理化技术研究所。主要从事能量转换纳米催化材料方面的研究,在Nat. Catal.,Nat. Commun.,Adv. Mater.,Angew. Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc.,Chem. Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文300余篇,被引用29000多次,H指数95,并入选2018-2021科睿唯安“全球高被引科学家”;申请国家发明专利52项(已授权39项),在国际会议上做特邀报告40余次。2017年当选英国皇家化学会会士。曾获得:皇家学会高级牛顿学者、德国“洪堡”学者基金、国家基金委“杰青”、国家“万人计划”科技创新领军人才等资助、以及太阳能光化学与光催化领域优秀青年奖等奖项。兼任Science Bulletin副主编以及Advanced Energy Materials、Advanced Science、Scientific Reports、Materials Chemistry Frontiers、ChemPhysChem、Solar RRL、Carbon Energy、Innovation、SmartMat等期刊编委。现任中国材料研究学会青年工作委员会-常委,中国感光学会光催化专业委员会-副主任委员、中国化学会青年工作者委员会-委员等学术职务。


致力光催化研究领域


请您简要介绍课题组的工作方向和主要研究成果?

我们目前主要针对光催化合成太阳能燃料及高附加值化学品开展相关研究工作。近年来一些高效非贵金属光催化剂,特别是水滑石基光催化材料的发现极大地激发了我们对于这一科学领域的研究兴趣。水滑石是一种由带正电荷的主体层板和层间阴离子通过非共价键相互作用形成的二维材料。它具有主体层板化学组成可调控,层间阴离子电荷和数量可调节等突出特点。近年来,我们利用水滑石基光/电纳米催化材料,从构建高效的表界面活性位这一角度出发,主要在以下三个方面开展了相关工作并取得一系列研究成果:1)通过可控合成水滑石超薄纳米结构研究表面缺陷对反应分子的吸附与活化;2)通过构筑水滑石基催化材料界面结构调控中间物种反应路径;3)采用介孔SiO2封装策略强化活性位,保证催化剂稳定运行并富集反应分子;4)构筑新型三相界面催化反应体系,优化催化过程中的界面扩散和传质问题。未来,我们还将在原子尺度、纳米尺度及介观尺度等多尺度构建及调控包括水滑石基催化材料在内的非贵金属光催化材料的表界面活性位,以进一步提升太阳能燃料及高附加值化学品催化合成中的活性及选择性。同时,我们也将致力于发展更多高效的非贵金属光催化剂,并利用多能量耦合如光热协同催化,光电协同催化等手段进一步拓宽其应用价值,在基础研究成果产业化方面作初步尝试。

我们留意到您早期的科研工作集中在光电与传感器件等方面的研究,是什么机缘促使您从事能源转换纳米催化材料的研究,并在之后取得众多成果的呢?

这主要是源于能源催化领域对我的吸引力。我认为催化领域背后蕴含着改变世界的可能性。合理的利用一个催化反应可以拯救数以万计的生命,例如合成氨反应解决了世界粮食危机问题。我在这里可以大胆的猜想,当依赖化石能源的传统的催化工艺完全被新型、清洁、可再生能源所替代后,以争夺化石能源而引发的战争将彻底消失。没有了污染,全球的自然生态环境质量大大提高,各类以化工品为原料生产的商品成本将大大降低,更多的精力和资源被节约出来从而可能促成诸多新技术、新领域的迅猛发展,最终真正实现自然和人类文明的全面和谐相处。试想,自己在实验室里的一个小小的杠杆可能翘起一次全人类的进步,这难道不让人着迷吗?

能否请您谈谈在刚开始起步阶段是如何进行职业规划的呢,职业发展中最重要和最难忘的经历是什么呢?

在我上学的时候就想要从事科研这个职业。在我很小的时候,科学家对我来说就是一个神圣的工作,心向往之。后来我在母校吉林大学也接受了很好的熏陶,老师们学风严谨,学生们脚踏实地,学校非常注重培养学生的科学素养、实践技能和人文情操。在那里,我不仅学到了丰厚的知识,更重要的是,我对探索未知和科学研究产生了浓厚的兴趣,开始逐步规划我的科研生涯。科研过程中有很多有意思的事。最让我印象深刻的无疑是我在美国做博士后研究期间,在一次合成实验的过程中,我误将还原剂NaBH4的质量多加了十倍,原以为是一次彻底失败的实验,但在后续的仔细观察中却发现这一偶然性的失误导致了新型介孔空心SiO2结构的产生,我因此提出了自模板法制备介孔空心SiO2结构的新策略,发表了我科研生涯中的第一篇德国应用化学。这样有趣的过程也时刻提醒我,建立在安全的前提下,实验永远不要怕失败,只要有仔细的观察,每一次实验都是有价值的。


从科研到应用转化之路


您的团队在太阳能光催化制氢领域取得了众多成果,您认为在未来五年内该领域的主要研究热点会是什么?您的团队有哪些相关计划呢?

氢能被认为是一种可以在未来取代化石燃料的绿色高效的能源形式,我国近年来也一直在推进关于氢能的基础研究和产业应用,我们课题组接下来将会继续致力于基于水滑石基二维纳米材料的光催化制氢研究。未来光催化产氢可能不仅局限于催化剂的开发,反应体系的扩展和工艺的改进可能会成为新的研究热点,比如光催化产氢耦合氧化反应制备高值有机物。光催化制氢反应的类型也有很大扩展空间,除水分解制氢,还有很多其他相关制氢反应值得研究,比如光催化甲醇重整制氢、光催化氨分解制氢、光催化制氢耦合高级氧化等等。

您认为光催化领域在实现由科研到应用转化道路上面临的主要困境是什么?科研人员应当集中精力解决哪些实际问题呢?

我认为目前光催化领域处于一个多点开花的状态。新的反应、新的体系、旧的反应和新的体系结合等等,每天都会报道出一些新奇的想法。但似乎对于科学问题的深度以及实际应用问题的精度的研究相对较少。科学是用来指导实践的,而催化更是如此。从事催化领域研究的人肯定都清楚,这是一个十分艰巨的挑战。实验室再完美也只能模拟实际的应用,科研到应用的转化必须建立在对实验本身研究足够深,对可能产生的应用问题的分析足够细的基础上,这便是目前面临的主要困境。我认为,未来光催化领域的发展应保持在探索新领域的同时,要加强对科学深度的钻研并积极地尝试科研成果转化,其中涉及的实际问题包括如何高效利用太阳光中的可见光部分,如何提高催化剂的运行稳定性,以及如何提高太阳能到化学能转化效率等问题。


光催化研究与InfoMat


今年您的团队在InfoMat上发表了一篇名为“Layered double hydroxide-based photocatalytic materials toward renewable solar fuels production”的综述文章,请问您选择这个主题的初衷是什么?您认为这篇综述可以给相关领域的研究人员予以什么启发呢?

我们知道,近年来工业的不断发展伴随着化石能源的逐渐枯竭,而自然界的太阳能是取之不尽用之不竭的,利用光催化的手段将太阳能以燃料的形式进行储存和利用,对于缓解当前日益恶化的能源形势有着重大意义。水滑石基材料近年来在光催化领域表现出令人振奋的催化性能和应用前景,而且我们课题组近年来在水滑石基光催化材料的表面缺陷和界面结构设计方面也有了一定的积淀。因此我们选择了面向可再生太阳能燃料生产的水滑石光催化材料这样一个主题,对近年来水滑石基光催化剂的研究进展进行阶段性总结与展望。从组分控制,缺陷工程,杂化和拓扑转变四个方面讨论了提升水滑石基材料光催化性能的设计策略,并详细阐述了其材料结构与性能的内在联系,最后总结了水滑石基光催化剂目前研究的遗留挑战和未来前景展望。这为人们设计用于太阳燃料生产的高性能水滑石基光催化材料提供了参考,推动了水滑石基光催化材料研究领域的发展。

请您评价下InfoMat在创刊以来的表现,您认为期刊应从哪些方面努力提高水平和影响力?

InfoMat创刊以来的表现还是让人很耳目一新的,尤其是作为一本新兴的国产期刊,在创刊后的短短三年时间内第一个影响因子就高达25.4。InfoMat综合了包括信息、能源、电子等前沿领域的最新科研进展,不管是稿件的选择还是领域的囊括都具有很独到的一面。

结合当下情况,我认为一个期刊要想进一步地提高水平和影响力,最重要的因素就是严谨。期刊是全球科研工作的展示平台也是交流平台。我对于近年来发生的诸多撤稿事件,深表遗憾和愤慨,学术不端行为对于科研的发展尤其是一些交叉学科的研究往往是致命的。抵制学术不端行为需要科研工作者们和期刊工作者们携手完成,科研工作者需要警钟长鸣,牢牢守住红线,把好第一关,而优秀的期刊也应完善和优化审阅机制,守住抵制学术不端的第二道关卡。只有这样才能给予科研健康的土壤,开出真正绚丽的花朵。

您连续多年入选全球高被引科学家,您认为自己的工作受到业内学者广泛关注的原因是什么?作为科研工作者,您认为应该从哪些方面入手提高文章的影响力呢?

我个人认为,要让自己的工作受到业内学者广泛关注,就要善于发掘领域内的痛点问题,并且要直面问题加以解决而不是设法规避。比如说,我们针对目前光/电催化固氮领域中,产物氨检测的实验过程中广泛存在却容易被忽视的假阳性实验结果的问题,首次提出了准确氨定量的科学严谨的实验手段,并在后来陆续进行了补充完善,这很大程度上促进了领域的健康发展,因此受到了业界学者的广泛关注。

至于如何提高文章的影响力,首先要勇于挑战那些有困难但又亟待解决的课题,只是追逐“短平快”往往很难有高水平的成果。另外,做科研不能一味地追逐热点,科学家要有自己的坚守,要有自己的研究特色和标签,要能够抓住某一个具体的研究领域投入长年累月的研究,甘坐冷板凳,才能开辟出一篇新的天地。


学生培养


您在选择团队研究生时,看重学生的哪些品质呢?您是如何培养团队学生“创新”的能力?

我更看重学生的对科研的热爱和坚持。科研是一项相对枯燥的事业,在探索新知识的过程中,失败的时候远远多于成功的时候。只有真正地热爱科研,投身科研,才有源源不断的动力支撑我们;只有持之以恒地努力和不断地坚持投入,才能在科研上有所收获。至于创新能力的培养,我认为首先要鼓励学生的批判思维能力,要敢于质疑和提问,并且要善于提炼和总结出科学问题,发现已有研究的缺陷和问题,是萌生新想法的土壤,也是新课题的落脚点。此外,还要注重与其他学科领域的交叉融合,我常常鼓励学生多看一些其他领域的文献,这种学科交叉思维往往会催生出新的点子。

新的学期开始了,新一批研究生即将踏上科研征途,您认为在刚刚接触科研时,研究生应该着重培养哪些科研习惯和品质呢?

我认为对于一个科研人员来说,最重要的品质就是坚韧。科研从来都不会是容易的,这是它本身的价值赋予它的特征。最有价值的科研成果一定是靠咬定青山不放松的拼搏得到的。尤其是对于年轻的科研工作者而言,年轻赋予了你们更多的活力,同时也给了你们更多的考验。大千世界,花花万物都充分刺激着你们的身心,而身为一名科研工作者则要专心科学,要坚信科学带给你们的享受绝不比其它任何事物的差。而在科研之余,也要适当的开拓视野,丰富自己的生活,热爱科研却不被科研绑架,以一个健康向上的姿态去迎接年轻和科学二词带给你们的使命。另外,年轻的科研工作者非常努力,也很拼搏。但需要注意的是,虽然我们需要努力工作,同时也要注意切忌鲁莽行事。

科学研究工作既是脑力劳动也是体力劳动,但归根结底还是脑力劳动。因此我有几点想法,仅供参考:首先,我们要意识到,科学研究是一个创造知识的过程,需要充分发挥主观能动性,摆脱被动教育的束缚;此外,我们应对相关领域的学术趋势有一个清晰的把握,我们不应该犯下过早下结论或不假思索做实验的错误,这对研究生的文献阅读能力提出了较高的要求,必须要经历把文献读厚-读薄-读透的过程,才能从前人工作中获取最有价值的灵感;与此同时,我们也应该注意逻辑思维、形象思维以及语言表达能力的培养。国内研究生常年来填鸭式的学习方式是阻碍开展原创科研工作的主要障碍,应当通过学术报告、会议交流、小组讨论等多种方式积极锻炼自身的学术表达能力,并在不断的交流中寻找解决问题的办法,提高工作效率。



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