撰文｜朱禾
责编｜张冰姿
两年前，复旦大学赵东元教授用装教案的布袋拎回了国家自然科学奖一等奖证书，“布袋院士”的形象火遍全网。最近，这位“布袋院士”又一次登上微博热搜榜。5月26日，2022年度上海市科学技术奖正式颁发，赵东元教授是其中含金量最高的“科技功臣奖”的唯一获得者。有趣的是，在此前召开的媒体发布会上，“布袋院士”却提前离席，一溜小跑，因为他要赶去给本科生上《普通化学》课……
赵东元院士（图片来源：赵东元课题组）
赵东元教授是中国科学院院士，现任教于复旦大学化学和材料学院。他于1990年获得吉林大学化学博士学位，至今一直从事多孔材料和分子筛的合成和结构研究。2021年，他的团队因其在介孔材料方面的突出贡献获得了国家自然科学一等奖。他们采用有机-有机分子自组装方法，合成出了有序介孔有机高分子和介孔碳材料。这个工作发表于2005年，至今已经催生出一个拥有四万多篇论文的充满活力的新研究领域。十多年来，赵东元教授团队创造出了20余种新型功能介孔材料，全部以FDU（复旦大学）命名。
近期，《国家科学评论》（NSR）采访了赵东元，就功能介孔材料在新能源领域中的应用以及科研与教育等问题，与赵东元教授进行了交流。
30年，从有突破性的论文到技术的产业化
NSR：赵老师，感谢您抽出时间接受采访。首先，您能简要描述一下什么是介孔材料吗？
赵东元：在介绍介孔材料之前，我们首先应该提到纳米材料，它的发展始于21世纪初。纳米材料具有表面效应、微观性质和宏观量子隧道效应。而多孔材料是具有相互连通或相互隔离的孔隙的框架结构，孔隙中可以填充液体或气体。多孔材料通常具有大的表面积和互联的通道，用于物质的传输和扩散。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义，介孔材料的孔径处于2纳米到50纳米之间。小于2纳米的孔称为微孔；大于50纳米的孔称为大孔。介孔范围内的孔结构可以产生非凡的效应。例如，厚度小于20纳米的孔壁和长度小于100纳米的通道可能显著缩短电子和离子的传输距离。这可能极大地增强水分解反应和储能设备（如电池超级电容器）的效率。
NSR:您是怎样开始研究这个课题的？
赵东元：我在吉林大学攻读研究生时主修物理化学催化，我的博士论文是层柱分子筛的合成。1992年，美孚石油公司发现了有序介孔材料，并在《自然》和《美国化学学会杂志》（JACS）上发表了这一发现。我看到了我的工作与这一发现的相似之处，意识到我的工作非常接近一个突破性的发现。受美孚公司这一发现的启发，我将当时的短期目标定为在JACS上发表一篇具有突破性的论文。1993年，我在以色列开始了功能介孔材料的研究，并在1995年发表了第一篇相关主题的论文，被同行广泛关注。几年后，我达到并超越了当时定下的那个短期目标。到现在，我从事这方面的研究工作已经快30年了。
介孔碳材料扫描电镜照片示例（图片来源：赵东元课题组）
NSR:您能简要描述一下有机介孔材料的合成方法吗？
赵东元：介孔材料一直都以无机组成为主，有机介孔材料当时还鲜为人报道。自然界有机多孔材料往往在空气、水珠界面形成，无法控制其孔径。2000年初我们就设想创制一类有机介孔材料。我们使用一种称为“软模板”的方法。首先在溶液中将用于构筑有机高分子材料的前驱体与两亲性表面活性剂模板混合。反应完成后，把表面活性剂模板去除，剩下的就是多孔材料。其中的关键步骤是有机高分子单体与两亲性表面活性剂分子之间的相互作用，即有机-有机相互作用。通过精准控制这一步骤，我们就可以获得各种尺寸和形状的孔结构。所以我们提出了通过氢键、双重氢键、极性范德华相互作用等来调节有机-有机相互作用。最初，我们在选择适合聚合的高分子单体时遇到了一些困难，因为有太多有机分子可供选择。后来我们意识到，应该重点关注能够形成共价键网络的稳定的高分子材料，如酚/甲醛树脂等。这样我们巧妙地简化制备过程，先组装，后聚合。那么，这个反应过程就可以简单地通过加热来引发，成功地合成介孔高分子树脂材料，碳化后得到最稳定的介孔碳分子筛。
NSR:介孔材料在能源相关领域有什么应用？
赵东元：一个主要的应用是，用介孔材料作为石油精炼中的催化剂载体。介孔材料具有孔大且均匀、表面积高等优点。因此，可以用作原油（分子特别大）的分子筛。我们目前正在和中石化合作，推进这些材料在炼油工业中的商业化。另一个重要的应用是，制造电池负极材料。传统的负极材料是石墨，由于缺乏孔隙率，电子传输相对较慢。现在我们团队正在开发具有介孔结构的碳/硅复合材料作为新型的负极材料。这项技术的产业化已经在进行中，工厂选址已经完成，我们的目标是建立最先进的介孔碳硅负极材料平台。其他的应用还包括电容器和水分解反应催化剂等。
如果我们能革命性地改变电池技术，就能改变世界
NSR:介孔材料为什么在清洁能源和气候变化方面如此重要？
赵东元：我们都知道中国设定的双碳目标：在2030年达到碳排放峰值，在2060年实现碳中和。选择这两个时间点，是因为在可预见的未来我们必须依赖化石燃料作为我们的主要能源来源。化石燃料包括天然气、石油和煤。以这些原料为基础，我们建立了强大且经济的基础设施来发电和驱动交通，但我们付出的代价就是二氧化碳排放。1吨煤燃烧产生3.7吨二氧化碳。不断增加的二氧化碳在大气中引起温室效应并加剧了全球变暖。此外，从化学家的角度来看，碳是生命的基础，构成生物骨架。地球上的所有碳都需要循环利用。如果碳只向一个方向流动，从地下流向大气层，最终我们将耗尽生命。我们如何捕捉空气中的二氧化碳并将它回收是一个难题，主要不是在科学原理方面，而是在实现规模化方面缺乏实用方法。当前一个提议是吸收二氧化碳，然后压缩并注入地下。介孔材料可能是这个过程中的良好吸附剂，因为它们的大表面积可以高密度存储纯二氧化碳。这是一个物理过程，因为二氧化碳与其他物质之间不发生化学反应，所以这个过程可能具有高效性。例如，介孔分子筛和金属有机框架（MOF）就可用于这个目的。
中石化采用赵东元课题组技术建成的石油精馏塔（图片来源：赵东元课题组）
NSR:对于碳捕获，使用有机和无机介孔材料有什么区别？
赵东元：主要区别在于，无机材料更容易吸收二氧化碳，因为它们更相似。目前最好的选择是MOF和碳纳米管。
NSR:电池是另一个热门话题。随着电动汽车在全球范围内越来越受欢迎，电动汽车车主经常抱怨他们的电池容量低、寿命短。经过这么多年的发展，为什么电池技术仍然不够完善？
赵东元：首先，我们今天拥有的电池比以前已经好了几个数量级，但人们的期望值也更高了。例如，早期的电动汽车是奢侈品，主要用于休闲，因此它们不必具有与汽油车可比的续航里程。而现在它们已经成为了家庭日常使用的汽车，所以人们就会更关注充电时间太长、续航里程不足和寿命短，这些导致高成本的负面因素。要解决这些问题，我认为首先需要重新思考电化学的基本原理。尽管我们取得了很多进展，但电池的基本结构自发明以来并没有发生太大变化。为了更好地满足当今的需求，我们需要设计新的电池结构和新的电化学过程。如果这些没有根本性变革，电动汽车就很难取代汽油车。其次，为了解决寿命问题，我们需要关注电池内部退化的问题。我们正在探索很多新材料，特别是负极材料。我们的目标是实现至少1000次充电循环，续航里程在500至800公里之间。
我经常参与《国家科学评论》很多关于电池相关论文的评审工作，经常建议作者强调创新原理。如果一篇论文提出了一个新原理，即使它目前看来并不实用，但如果有可能会激发其他人的新思路，我就认为这是一篇好论文。相反，如果某种材料得出了更好的实验结果，但是作者没有或无法解释原因，我一般会认为它的发表价值不大，因为这种材料难以工业化。要实现电池技术上的突破，很可能需要整整一代研究人员的不懈努力。
NSR:接下来我们转向太阳能。首先，光是如何转化为电能的？多孔材料在这个过程中的作用是什么？
赵东元：光可以被视为电磁波或粒子。作为粒子(或光子)，它的能量可以被半导体中的电子吸收并在晶格中移动，形成一个电子-空穴对。随着电子和空穴的传输和积累，它们会产生电压和电流，如果电路闭合，就会产生电能。介孔材料是优秀的光催化剂，因为它可以提供更大的表面来接触光线，因此使得光伏过程的效率更高。众所周知，光伏过程的一个主要问题是间歇性，因此它不是一种可靠的能源来源。为了解决这个问题，我们可以在光伏过程之后加上一个电解水过程。当电能转化为氢气或液态氢时，它可以更方便地存储和运输。在电解水过程中，介孔半导体具有更高的太阳能转换效率，因为它们具有不同的电子带属性。
NSR:正如您之前解释的那样，电池技术仍然不是一个很好的选择，因此我们考虑使用氢气作为储存介质。这个解决方案在现实中如何实施？
赵东元：近年来，光伏产业得到了大量投资。关于如何将它转化为“液态阳光”，中国科学院大连化学物理研究所的李灿教授目前领导着一个企业，在宁夏建立了一条完整的供应链，目标是实现光伏氢能的商业化。另一方面，我们今天所依赖的全球石油供应链已经有一个多世纪的历史，包括油田、炼油厂和加油站。与此相比，清洁能源或可再生能源的基础设施仍处于早期阶段。我们离能够摆脱化石燃料的转折点还很远。在我看来，达到这个转折点的唯一途径是在全球范围内实现协同一致的解决方案。我们可以建立一个较小的模型作为概念验证，但要使其商业化，我们必须协同行动。
由超级电容器供能的上海城市公交（图片来源：赵东元课题组）
正如我之前提到的，碳中和和碳捕捉是两个主要组成部分。如果全世界能够达到碳中和，如果我们可以通过大规模的碳捕捉来减少已经存在于大气中的过量二氧化碳，我们就有可能对气候变化产生积极影响。对于科学家来说，如果我们能够革命性地改变电池技术，如果我们能够普及“液体阳光”，如果我们能够破解人工光合作用，我们就有可能改变世界。因此，我非常支持对电化学和光化学过程的基础科学研究。
NSR:下一个话题是超级电容器。它是什么，与电池有何不同？
赵东元：电荷在超级电容器中被累积储存，没有发生任何化学反应。在电池中，离子接收电子并形成原子时，会发生化学反应。在超级电容器中，电子只是简单地移动和积累，它的好处是充电和放电很快，缺点是容量远低于电池。功能介孔材料在这里的优势仍然在于它的大表面积允许累积更多的电荷。在电动汽车中，超级电容器可以与电池一起运行，来达到节能并提高性能的目的。在减速和刹车时，动能可以转化为电能并暂时存储在超级电容器中；当车辆重新启动时，需要更大的加速度，超级电容器可以释放额外的能量来补偿电池的放电。这种操作模式在公共交通中特别有优势，因为这类应用场景需要频繁的起停，但对续航里程的要求并不高。上海的奥威科技公司致力于制造基于超级电容器的城市公交车，也是国家车用超级电容器系统工程研究中心的依托单位。他们还将这种技术用于地铁列车。我们团队已经成功地把这个技术应用于北京奥林匹克中心的路灯和上海世博会的穿梭巴士。这些超级电容器都是用介孔材料做的。
赵东元教授给本科生上普通化学课（图片来源：复旦大学）
“卡脖子”的根源是什么？
NSR:近年来，基础科学研究备受关注，但媒体和研究人员经常强调应用。您对此有何看法？
赵东元：我们经常听到科学或技术领域中“卡脖子”的新闻报道。由于技术创新不足，我们的工业中存在许多“卡脖子”的现象。在我看来，缺乏创新的原因是我们没有充分普及科学精神。科学精神的核心是质疑精神，始终问“为什么”，用逻辑和证据探索新知识。我们的社会有充足的人力和财富进行基础研究和发现，但我们缺乏一个“提出问题-建立知识系统-回答问题”的文化。科学研究的动力应该是为了系统地发现新知识，而不是为了任何物质利益。
我是一名化学家，我就以化学为例。化学在炼金术、炼丹术中存在了很长时间。当人们以获取黄金为目的时，它就不是科学。1661年，当罗伯特波义耳（Robert Boyle）写下第一本化学“教科书”，并开始研究物质的本质和物质的变化时，化学才成为了一门科学。因此，为了推动科学的发展，我们应该淡化物质利益和功利，而专注于提出问题和回答问题。
以财富为目的的教育不可能培养出下一代的创新人才。赵东元
赵东元课题组成员合影（图片来源：赵东元课题组）
NSR:下一个问题是关于教育的。除了科研工作，您每年还会为本科生授课。您为什么如此重视本科生教育？
赵东元：作为一名大学老师，我的职责是创造知识和传播知识。基础科学研究是我创造新知识的方式，教学是我传播知识的方式。每个老师都可以传授教科书中的内容，但我认为我还可以向学生展示创新科学精神，还可以教会同学们理性的创新思维和逻辑演绎方法。我刚才提到，缺乏创新会导致科学技术中的“卡脖子”问题。以财富为目的的教育不可能培养出下一代优秀的创新人才。我希望学生淡化财富，扬弃功利主义，关注科学前沿。在这方面，我认为我可以做出更大的贡献，因为我一直在推进我的研究前沿。如果我们希望解决一些“卡脖子”问题，下一代科学家必须具有创新精神。
NSR:近年来，我们看到许多新兴的交叉学科，材料科学就是一个很好的例子。当学生选择与此相关的本科或研究生专业时，他们可能会看到三个选项：物理、化学和材料科学。您能给他们提点建议吗？
赵东元：20世纪是量子力学的世纪，现在我们已经基本有了一个相当成熟的科学框架，所以21世纪是小修小补的世纪。在这个环境中，科学领域的分类变得越来越复杂。很多领域之间的界限是人为定义的。在我看来，这可能会适得其反。科学要自由发展，就必须打破这些界限。很多科学突破都出现在不同领域之间的边界上。材料科学本质上是物理和化学之间的交叉学科，它在几十年前才出现，现在已经成长为一个庞大而高度活跃的物质科学研究领域。自古以来，社会的进步可以通过材料的进步来衡量。因此，如果一个学生的兴趣是科技前沿，我会推荐材料科学作为研究生专业。如果是高中生选择本科专业来打基础，我会推荐化学专业。
英文原文：
Functional mesoporous materials in clean energy: an interview with Dongyuan Zhao
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad062
