作者: 沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2017/5/8 11:00:36
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世界最具潜力女科学家龙冉:将兴趣沉淀为事业

龙冉 

■本报记者 沈春蕾

29岁的龙冉是中国科学技术大学(以下简称中国科大)副研究员,不久前,她摘获了第十九届世界最具潜力女科学家奖,该奖项由联合国教科文组织和欧莱雅基金会“为投身于科学的女性”于2015年发起,每年从全球遴选15名年轻的女性研究人员。

龙冉的专业是无机功能材料的设计、可控合成、同步辐射表征以及催化应用的研究,获奖是表彰她在纳米化学及节能研究领域的突出成就。虽然龙冉踏入科研岗位的时间不长,但年轻的龙冉认为在科研工作中,最大的困难来自科学问题,如何去挑战、解决这些科学问题是科学工作者们最大的阻力。

开发高效节能催化剂

我们该如何替换化石燃料这种数量有限且污染环境的资源呢?答案可能是二氧化碳转化——将人类生产、生活中大量释放的二氧化碳分子转化为气体、液体燃料分子。

龙冉告诉《中国科学报》记者:“我的主要工作是从基础科学的角度出发研究催化材料,期望它能加速化学反应,目标是将二氧化碳高效地转换成燃料分子。”龙冉在攻读博士阶段就已经取得了一些阶段性的成果,并获得了中国科学院院长特别奖和优秀博士学位论文奖。

如今,龙冉就职于中国科大同步辐射国家实验室,师从熊宇杰教授,她的工作内容就是对催化剂的表面结构进行原子级别的优化,然后使用同步辐射光源——一种极强光源,进行以太阳能为能源的二氧化碳转化过程中高效催化剂的精细设计。

她解释道,同步辐射光源的充分利用可以帮助她在原子尺度构建结构与性能的本征构-效关系,设计出更好的催化剂,从而大大提高效率。最后,纳米化学将对化学产业(催化作用在最先进的工艺中起着至关重要的作用)以及环境应用起到深远的影响。

龙冉称:“开发高效的催化剂,能够降低各种化学反应中的能耗或减少污染。催化科学的问题本质上与能源问题、环境问题密不可分。”

只有催化剂表面的部分原子可以参与催化反应,所以催化剂表面原子的排列组成方式对催化反应的活性及选择性都有重要影响。因此,催化剂表面结构的高精度调控是龙冉关注的重点。

对于催化剂表面结构的调控可以应用在各个催化领域,例如加氢反应、氧化反应、偶联反应等等。其中的“加氢反应”是龙冉关注的一类极其重要的化工反应,该反应不仅用于在石油炼制工业中脱除油品所含的杂质和饱和烯烃、提高油品质量,也可在精细化工(如化妆品加工)过程中去除原料或产品中的杂质。

由于在诸多关键行业的应用,加氢反应的工业产值非常高。龙冉指出:“过渡金属钯与氢具有强烈的相互作用,曾经作为潜在的优质储氢材料。而以其为基础的钯基纳米晶体催化剂,也具有优异的加氢反应催化潜能。”

源于偶然的科学发现

龙冉针对于钯基纳米催化剂的研究源于一次偶然的科学发现。她在一次进行催化氧化反应、测试不同钯催化剂晶面之间的差别时,惊奇地发现:在反应体系中还未加任何氧化剂的情况下,氧化反应就已经完成了。

经过多方验证,龙冉确认是溶剂中的溶解氧参与了反应——她首次发现了钯催化剂能自发地吸附氧进而将其活化,并且活化程度与钯的晶面有关。其他金、银、铂等金属在光能的作用下可以活化氧,而龙冉此次发现的钯-氧相互作用,并不需要光能作为能量来源。

在阐明机制的基础上,龙冉将复合结构调控的表面电子态引入到分子氧活化反应体系中,使研究者得以通过简单的手段优化催化剂在氧分子活化和有机氧化反应中的活性。

龙冉取得的科研成果,靠的不只意外发现和运气。她和团队基于前期对于钯基纳米晶体的催化表面结构效应的认识,主动出击,设计了以太阳能为反应动力的新型钯纳米晶体催化剂,精准控制合成了一类尺寸为50 纳米、且具有内凹型结构的钯纳米晶体。

“结构对称性的降低、颗粒尺寸的增大,使该催化剂能够在可见光的宽谱范围内吸光。”龙冉说,“由于催化剂表面同时具有吸光单元与催化位点,其表面的光热效应足以为有机加氢反应提供热源。”

她指出,将太阳能吸收和催化反应合二为一,有利于减少反应本身的能耗投入,也为俘获太阳能提供了光电转换之外的一种新思路。

最近,龙冉与合作者还发现,“钯-铜”原子对是可以催化二氧化碳转化反应的一个非常重要的结构。二氧化碳的催化转化可以看作一种人造的光合作用,该反应的产物甲烷、甲醇等能继续作为能源利用。

温室气体的控制以及二氧化碳的排放目前在国际上是一个热点问题,如果未来这一催化反应的效率得到提高,将为这一老大难问题提供有效的解决方案。

从事科研的乐趣

催化剂需要经过研究者的“精细调控”,才能实现效率的最优化。而龙冉觉得自己走上科研的道路,却要感谢父母和导师给予的充分自由——是他们让她能够跟随自己的兴趣,追求真正想要的东西。

“我小时候好奇心就十分旺盛,属于那种什么都要问的孩子。”她说,“大三时进入实验室,原本也是出于好奇。”龙冉本科导师谢毅院士、博士导师熊宇杰对科研的热情,在潜移默化中成为了她的榜样。

允许学生自由安排时间的谢毅,自己却常在早晨第一个到实验室;熊宇杰在学生的培养方面给予充分的自由和无微不至的教导。在这种环境中,龙冉也逐渐发现了从事科研的乐趣:“研究上的发现,固然会带来学术论文的发表和一些荣誉,但最开心的其实还是找到答案的那个时刻。解决一个问题的时候,那种满足难以用语言表达。”

龙冉决定把这份兴趣沉淀下来,变为自己的事业:“好奇心可以很发散也可以很专注。小时候对大千世界的好奇是发散的,但这和科研中反复求索一个问题的本质是相通的——每个细分科研领域的关注面确实较窄,但它们同样都是出于对自然的一种好奇。”

《中国科学报》 (2017-05-08 第6版 院所)
 

 

 
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