甲烷，是最简单的有机分子，也是天然气的主要成分。它无色无味，燃烧时热值高、排放低，在我们的日常生活中几乎无处不在。然而，如何突破其稳定的碳-氢键，在低温下实现甲烷的高效活化与定向转化，直接制备高附加值化学品，而非简单地燃烧供热，一直是科学家们孜孜以求的重要课题。

中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）研究员崔晓菊与甲烷的“相识”，却始于一次“被动”，从老师手中接过这个课题时，她也曾心生疑惑。但自那以后，这个日常生活中随处可见的气体，便贯穿了她的整个科研生涯。

“科研的密钥，不在于一开始就选对方向，而在于从‘被动’走向‘主动’——只有真的热爱，才能持之以恒地走下去。”崔晓菊说。

崔晓菊。大连化物所供图

从“被动接受”到“主动热爱”

崔晓菊与催化化学的缘分，始于本科保送研究生阶段，师兄师姐们的推荐。“大家常说，化物所在催化领域的实力是国内顶尖的。”她笑着回忆，“正是这种学术声誉和平台条件，对我产生了很大的吸引力。”

而真正研究方向的确定，来自导师包信和院士和邓德会研究员的安排。“当时我的课题是甲烷的催化转化，说实话，最初更多是服从导师的安排。”崔晓菊坦诚地说。彼时的她或许并未意识到，这个看似被动的选择，会成为她科研生涯中最坚定的方向。

甲烷中稳定的碳-氢键，通常需要借助高温（大于600℃）才能被打破。而崔晓菊接到的第一个任务，正是从甲烷的低温催化转化开始。“在研究生开题阶段，导师们建议我去尝试解决甲烷在温和条件下的活化与转化问题。”她回忆道，“如果能降低反应温度，不仅有助于理解碳-氢键活化的本质，还有望开发出更加节能的天然气利用技术。”

从那一刻起，崔晓菊便开始了与甲烷的“较量”。然而，真正的考验很快来临。“在甲烷低温催化转化研究中，找催化剂当然难，但真正让我们头疼的，是怎么把产物‘看清楚、算明白’——定性和定量分析，才是更大的坎。”崔晓菊解释道。低温下甲烷的活化速率很低，而且产物分布非常复杂。甲醇、甲基过氧化氢、羟甲基过氧化氢、甲酸等多种含氧化合物同时存在，这些产物的沸点、极性、稳定性差异很大，给分离和检测带来了极大挑战。

面对这个困境，崔晓菊没有退缩。她借助大连化物所研究员李海洋团队的光电离飞行时间质谱和研究员韩秀文团队的液体核磁共振技术，通过多轮结构解析，最终确定了产物的组成，并建立了相应的定量分析方法。“当我们最终通过质谱和核磁共振，清晰地解析出甲基过氧化氢和羟甲基过氧化氢的分子结构时，内心充满了成就感。”崔晓菊说道，“这些产物在以往的研究中，并没有通过多种结构解析手段得到验证。”

正是这个时刻，让崔晓菊从“被动接受”彻底转向了“主动热爱”。“在研究逐步深入的过程中，我越来越深刻地体会到，这个领域不仅对能源、化工和可持续发展具有不可替代的战略意义，而且充满了极具挑战性的科学难题。”她说，“正是这种‘重要’与‘困难’的交织，让我决心一直沿着小分子催化转化的方向走下去。”

向“高难度”发起挑战

如果说甲烷低温转化是崔晓菊科研生涯的起点，那么“室温下甲烷、氧气和一氧化碳直接偶联制乙酸”则是她科研道路上下一个突破口。在25℃的室温条件下，既要打破甲烷稳定的碳-氢键，又要实现碳-碳键的精准偶联，其难度可想而知。

“虽然反应体系在低温条件下具有显著的热力学优势，但受限于甲烷碳-氢键活化能垒高、氧气分子解离难、碳-碳键偶联可控性差等关键科学问题，实现甲烷低温高效定向制乙酸仍面临巨大挑战。”崔晓菊指出了问题的核心。

而团队之所以坚信这个体系能在25℃下工作，并非凭空想象。“契机来自于团队此前的一项发现。我们曾经用实验结果，证明了二维硫化钼能够在室温下催化甲烷与氧气直接转化为甲醇等碳一含氧化合物。”崔晓菊解释道，“这个结果让我们意识到，在合适的催化剂表面，甲烷的碳-氢键在室温下是可以被活化的。既然甲烷和氧气能在室温下反应，那么将活化后的甲烷与一氧化碳偶合，理论上也可能会在室温下生成乙酸。”基于这个信念，团队开发了系列二维硫化钼限域金属杂原子催化剂，并发现其中限域铑-铁双原子位点的催化剂，能够在室温下实现甲烷高选择性转化为乙酸。

与此同时，团队也在试图提高乙酸的时空收率。“我们系统筛选了多种过渡金属和非金属掺杂的二维硫化钼材料。然而大多数掺杂方式要么活性提升不明显，要么破坏了催化剂原本的低温选择性。尤其是在试图增强催化剂对甲烷碳-氢键活化能力的同时，常常会导致难以高效进行碳-碳偶联，乙酸的产率反而下降。”崔晓菊描述那段日子时，语气中仍能听出当时的压力，“有一段时间，我们几乎陷入了‘掺杂—测试—失败—再掺杂’的低效循环，团队压力很大。”

真正的转折点来自团队对质子耦合电子转移机制的深入理解和巧妙运用。“我们意识到，需要形成更强解离甲烷碳-氢键的金属-氧物种，为乙酸生成提供一条低能垒的质子-电子协同通道。”崔晓菊说。

“经过大量组合筛选以及对掺杂元素种类的精细调控，乙酸的时空收率一下子跃升了近6倍，从26.2提升到152.0微摩尔每克每小时，选择性也突破96%。”崔晓菊总结道，“正是那段‘至暗时刻’，给了我们不断试错、深入理解反应机理的机会。”

科研要把握好“度”

回顾自己的科研历程，崔晓菊将最大的影响归功于导师邓德会。“从他身上，我学到的最重要的一课可以概括为四个字：胆大心细。”她解释道，“所谓‘胆大’，是指在科研选题和思路构建上要敢于突破常规，挑战难题；而‘心细’则是在执行层面，要求我们把每一个实验步骤、每一个数据分析都做到极致。”

如今，作为导师的崔晓菊，正在努力传承这种“胆大心细”的科研精神。“我会鼓励学生提出天马行空的科学问题，但同时要求他们设计周密、逻辑清晰的实验方案；我会支持学生挑战高难度课题，但也会和他们一起分析每一个潜在的风险点。”她说，“我希望我的学生既能仰望星空，又能脚踏实地，在科学的道路上走得既远又稳。”

在科研的征途上，崔晓菊自己也没有停下“胆大”的脚步。她注意到此前包老师和邓老师团队提出的“铠甲催化”概念——高稳定的石墨烯能够保护非贵金属免受苛刻环境的刻蚀，而非贵金属的自由电子可以转移到石墨烯表面并激发催化活性。

“随着研究的深入，我们意识到，虽然封装在石墨烯中的金属纳米颗粒本身具有催化活性，但如果能将催化剂制备成整体式电极，不仅能简化电极制备流程、增强机械强度，还有望进一步提升催化性能。”受到此前粉末催化剂成功经验的启发，她尝试将“铠甲”结构从粉末催化剂扩展至宏观的泡沫镍骨架，并设计出了独特的双级“铠甲”结构。

这种双级“铠甲”结构不仅充分发挥了石墨烯封装对活性位点的保护作用，同时通过金属中心对石墨烯的电子调控作用，进一步优化了石墨烯铠甲表面的催化活性。此外，该结构还显著增强了整体式电极的化学稳定性，从而在电催化硫化氢分解反应中实现了催化活性与稳定性的双重提升。

通过这次实验，崔晓菊也意识到，此前粉末催化剂的研究往往聚焦在纳米尺度的“微观活性”层面，而整体式电极必须统筹微观、介观和宏观三个尺度的结构协同。“这种跨尺度的协同设计思维，是实现催化剂从‘实验室小试’走向‘工业级应用’的关键。”

而在这些封装工艺的探索中，她也深刻体会到了把握“度”的重要性。石墨烯铠甲层太薄会导致包覆不均，泡沫镍骨架在反应中迅速腐蚀；铠甲层太厚则会严重阻碍金属电子向石墨烯表面的穿透，活性位点能力不足，催化活性不好。“把握好‘度’，就是在‘不够’与‘太过’的钢丝上，找到科研的平衡。”

而当被问及如何在忙碌的工作中给自己“充电”时，崔晓菊回答道：“最大的‘充电’方式，其实是在工作中获得成就感——当看到一个新的实验现象、收到一份积极的审稿意见、或者学生取得突破时，那种发自内心的喜悦更能激励我继续前行。”