2025年7月，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）博士研究生金平收到了《科学》（Science）的接收函。

“这其实是我求学期间完成的第一篇论文。”作为第一作者的金平坦言道。这项历经六年的科研“马拉松”，最终于9月5日成功登上《科学》杂志。它由大连化物所研究员王峰团队联合意大利的里雅斯特大学教授Paolo Fornasiero等人合作完成，他们发展了一种新型光催化策略，实现了常温氢气异裂。该研究将氢气的新方式用于二氧化碳还原，直接制备了乙烷、乙烯等高附加值化学品。相较于传统高温高压加氢工艺，这一新方法有望大幅降低能耗，并有效减少二氧化碳排放，为碳资源的高效优化利用提供新路径。

历时多年的研究终获国际顶级期刊的认可，喜悦之情在他心底悄然升起。“但就像团队里王峰老师、罗能超老师常教导我的，一切都要以平常心看待。做出成果后，要谦逊，更要冷静。”

罗能超（左）和金平（右）在光催化固定床反应装置前讨论。受访者供图

意外的发现

时间的齿轮倒转回2017年，在南昌大学攻读化工专业的金平，第一次见到了来访作报告的王峰。

“当时我的导师从事生物质转化研究，邀请了王老师来交流。”金平回忆道。王峰在报告中介绍的一项正在进行的木质素转化研究，立刻引起了他的兴趣。

“王老师提到，团队正尝试在木质素转化中，通过选择性活化非目标碳氧键，诱导分子内电子效应或空间构象变化，最终实现目标碳氧键的高效断裂。”金平说，王峰形象地将此策略比喻为“声东击西”，还类比于足球场上的“帽子戏法”。

讲座结束后，意犹未尽的金平主动找到王峰，深入探讨了分子转化相关的问题。王峰风趣幽默的讲解和对未知领域的探索精神，给金平留下了深刻印象。

一年后，凭借推免资格，金平同时收到了北京大学、中国科学技术大学和大连化物所的offer。“我一直想做生物质分子催化转化研究。大连化物所被誉为‘催化的摇篮’，拥有深厚的平台资源积累。出于对研究方向的兴趣，我最终选择了大连化物所，加入了王老师的团队。这像是一场科研兴趣与平台机遇的‘双向奔赴’。”金平说。

到大连化物所后，王老师让刚留组工作的“新人老师”罗能超指导金平开展研究。结合罗能超光催化生物质转化的研究方向，以及王峰给定的流动化学研究任务，团队确定开展生物质光催化转化和流动化学“二合一”，专注于通过光调控生物质平台分子在流动反应体系中实现加氢。“我们的目标是提高光催化平台分子加氢反应的活性，实现增值转化，为碳资源优化利用提供新路径。”金平回忆道。

然而在一次实验中，他们却发现了一点不一样的东西。

“我们开始尝试的是其他含氧分子的加氢，发现光照下的加氢产物有些异常，出现了独特的‘翻转效应’，我就建议金平同学尝试更难惰性的二氧化碳分子。”论文通讯作者之一、大连化物所副研究员罗能超介绍道，“更令人意外的是，这套光照下的加氢反应将二氧化碳转化为了碳二产物，验证了光催化体系存在一种独特且高效的氢气活化方式。”

这个发现立刻引起了罗能超和金平的关注。因为加氢反应作为化学工业的核心反应之一，约四分之一的化工过程都涉及至少一步加氢。

金平用比喻阐释其原理：“氢气分子就像一对紧密结合的伙伴，共享电子形成牢固的化学键。在微观层面，它们‘分离’的方式主要有两种：一种是‘均裂’，双方各带走相当电子；另一种则是‘异裂’，一方得到电子，另一方则失去电子。但是要实现这种‘异裂’，需要较高温度和压力的条件，消耗大量能源。”

因此，如何在温和条件下实现氢气高效异裂，成为科学家们追求的目标。实验中的新发现，却意外为他们提供了新思路。

面对这个“偏离原定方向”的发现，罗能超和金平向王峰汇报了想法。王峰当即表示认可，并全力支持团队转向探索氢气异相活化的新体系。从最初的平台分子加氢转化，到意外的二氧化碳加氢，再到氢气活化新路径，这种包容开放、鼓励探索未知的学术态度，使得一次偶然的“实验偏差”转化为新的突破。

“答案”一直在身边

确定方向后，研究团队清晰地认识到：实现氢气异裂的关键突破口，在于设计能同时提供正、负电荷中心的催化体系。那么，如何才能构建出这两个至关重要的电荷中心呢？

“我们此前一直在研究光催化生物质转化，就想从光催化的原理中找答案。”罗能超表示。

在光激发半导体时，电子吸收光子能量会脱离原位，留下带正电的“空穴”，从而同时产生带负电的电子和带正电的空穴。

然而，挑战随之而来。光生电子和空穴需要被控制在极其接近的空间内，才能产生足以构成氢氢键异裂的不均匀电荷环境。但过于紧密的距离，又容易导致电子与空穴因正负电荷相吸而复合湮灭。

正在这个时候，大连化物所光催化领域的专家研究员章福祥和研究员李仁贵带来了新视角，在通力合作下，团队提出了新的模型：将电子和空穴分别“束缚”在空间邻近的不同位点上，如同将它们各自“禁锢”在独立的“陷阱”中。这样，即使彼此靠近，电子和空穴若要复合，也必须先获得额外能量“跃出”各自的“陷阱”，从而有效延长其寿命，为驱动氢氢键异裂创造条件。

“但在研究中，我们只成功定位了电子的‘陷阱’，一直未能找到空穴的‘陷阱’。”金平回忆道。

正当团队一筹莫展的时候，罗能超从一篇2017年大连化物所李灿院士发表的论文中获得了新启发。“李灿院士团队是国际上光催化领域的顶尖团队，我一直在关注李灿院士团队的工作，这篇论文我之前就读过，但没有将该工作与我们的工作关联起来，后面又去读突然有了启发。论文阐述了利用光激发金的局部等离子激元共振效应，而我们的体系是用光激发二氧化钛，机制看似相反。但这提供了一个关键思路：光照条件下，空穴的‘陷阱’是否也可能存在于界面处？与王峰老师讨论后，我们决定在界面区域进行重点研究，果然找到了。”

研究团队最终在二氧化钛与金纳米颗粒的交界面找到了捕获空穴的“陷阱”，有效地阻止了正负电荷的“复合”，确保正负电荷中心的稳定存在。

“这也印证了科研上常说的‘站在巨人肩膀上’，有些难题的答案其实一直在身边。”罗能超说。

“这个成果的取得，离不开大连化物所有一群在催化、光化学、材料和化工等领域活跃的青年科学家。大家在平时开展深入有效的讨论，极大促进了该科研工作的进行。”王峰说。

不能修补而要“全面升级”

2024年5月，研究团队信心满满交稿到《科学》，一个月后收到了编辑的回复，给了重新投稿的机会。

“编辑肯定了研究方向的新颖性，但认为新策略缺乏足够的理论支撑，部分数据也不够完善。”金平解释道。

“王老师这时候建议我们，不能简单修修补补，要全面升级研究工作，对涉及的所有数据重新验证。”罗能超回忆道。

收到建议后，他与金平立即投入实验，从头开始。“比如动力学实验，最初可能比较粗糙，只有单一光强下的数据。后来我们做得极其细致，在五个不同光强梯度下重复实验，每个数据点都进行了三四次重复测定。”在烈日炎炎的夏天，实验室的天台上，金平戴着草帽和墨镜，耐心地坐在阳光里采集自然光照下的催化反应数据。“那段时间金平特别辛苦，熬了无数个夜，持续数月。当他最终告诉我转化率和选择性都几乎能达到100%时，我们觉得‘这下稳了’。”罗能超说。

研究团队用惰性的二氧化碳还原反应验证了这种光诱导氢气异裂的优势。发现产生的氢物种可以在常温下把惰性的二氧化碳全部转化，产物只有乙烷。再通过串联乙烷转化为乙烯的装置，可以把二氧化碳还原为乙烯，乙烯收率接近99%，催化剂可以稳定运行超过1500小时不失活。

并且，他们也采纳了编辑的建议，进一步使用自然的太阳光为光源，同样实现了将二氧化碳还原为了乙烷。最终，这项历经锤炼的研究成果得以在《科学》上发表。

这也是金平六年科研生涯磨砺出的第一篇论文。

看到一些师弟师妹发表文章较快，结合科研考核要求，金平坦言有时会感到有压力。但他很快便能调整心态：“科研工作有‘快’有‘慢’，需要不同的研究周期。更重要的是专注个人收获——迷茫、困惑都是常态，没有困难往往意味着难以取得突破性提升。”

金平在气相色谱前检测分析。受访者供图

在长时间磨练中，他特别感谢了团队给予的支持：“王老师课题组氛围自由宽松。罗老师我们习惯称他‘小罗师兄’，常常给我一些建设性意见。我们三人经常深入讨论，他们从不轻易否定我的想法，而是给予充分的试错空间，鼓励大胆尝试。这次《科学》论文的发现，某种程度上正源于一次偶然的尝试。”

在外人看来，金平的科研生活相当“投入”，他乐于长时间待在实验室。但他自己并不认同“内卷”的说法：“关键是找到适合自己的节奏，将科研内化为生活的一部分，就不会感到那么疲惫。比如实验之外，我喜欢游泳。入水瞬间的清醒感，常能让我更专注地思考问题，仿佛与世界达成了某种‘和解’。”

在顶级期刊发表论文后，金平每天依然将大量时间投入实验室。他继续深耕分子合成研究，并且积极探索新的领域，希望能从国家战略需求出发，多发现新的科学现象，探索科学本质，解决科学问题。“我觉得自己并非天赋极高之人，所以科研路上更需要持之以恒的努力。如同修炼‘童子功’，唯有不断积累沉淀，才可能迎来厚积薄发的时刻。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adq3445