專訪催化領(lǐng)域青年學(xué)者
——董帆教授

《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

催化科學(xué)與技術(shù)對(duì)人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大約80%的化工過程都需要使用催化劑，正是因?yàn)榇呋夹g(shù)的發(fā)展，我們才能夠生產(chǎn)足夠的化肥、燃料、化工原料以及生活物資，保障人類基本需求。催化技術(shù)對(duì)于經(jīng)濟(jì)的直接和間接貢獻(xiàn)已高達(dá)20%-30%之多，是人類發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。與此同時(shí)，催化學(xué)界也不斷地在基礎(chǔ)和應(yīng)用方面取得新的突破，為實(shí)現(xiàn)低能耗、低排放、資源循環(huán)利用，開發(fā)新型能源和綠色制品，解決人類在能源、環(huán)境、氣候等方面提供了新的選擇和機(jī)遇。

本期我們有幸采訪了國內(nèi)催化領(lǐng)域的青年科學(xué)家，《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》青年編委董帆教授，為我們分享了他的研究經(jīng)歷及對(duì)國內(nèi)外催化行業(yè)的分析。

問題1：請(qǐng)您為讀者們簡單介紹一下您的科研歷程。

回答：2005年9月我在浙江大學(xué)攻讀研究生時(shí)開始了我的科研之路，2009-2010年期間在香港理工大學(xué)進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，主要從事環(huán)境光催化方面的研究。2010年博士畢業(yè)后，進(jìn)入重慶工商大學(xué)工作至2018年。2018年下半年調(diào)入電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院，組建成立了環(huán)境與能源催化研究中心，學(xué)校給我們提供了非常好的平臺(tái)，可以圍繞興趣開展催化研究工作?？蒲袃?nèi)容包括環(huán)境與能源光催化、光電催化、大氣污染控制和催化過程原位表征技術(shù)等。在近十多年的催化研究生涯中，得到了包括國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和國家人才計(jì)劃的持續(xù)資助，也得到了很多同行的幫助和支持。

問題2：是什么把您吸引到催化的研究領(lǐng)域的呢？在科研的道路上有哪些重要的人影響了您？

回答：我進(jìn)入催化研究領(lǐng)域是在攻讀研究生階段(2005年9月-2010年6月)。浙江大學(xué)的導(dǎo)師吳忠標(biāo)教授的研究方向是大氣污染控制技術(shù)，他給我確定了光催化凈化典型空氣污染這個(gè)研究方向。從此，就開始了催化方面的研究，非常感謝導(dǎo)師將我?guī)氲酱呋芯康拇箝T。在科研道路上，光催化領(lǐng)域的多位著名學(xué)者對(duì)我有較大的影響。在浙大攻讀博士學(xué)位期間，當(dāng)時(shí)通過郵件和電話，多次聯(lián)系了余家國教授。雖然我跟余老師并不相識(shí)，但他總是熱情地幫我解決難題，在光催化材料合成和機(jī)理認(rèn)識(shí)方面給了我不少指導(dǎo)。另外，在香港理工大學(xué)訪學(xué)期間，合作導(dǎo)師李順誠教授和香港中文大學(xué)余濟(jì)美教授，都給我了很多幫助。李順誠教授帶著我參加了余濟(jì)美教授2010年1月舉辦的一個(gè)論壇，余老師現(xiàn)場(chǎng)給我們演示了光催化的神奇作用，這讓我對(duì)光催化研究有了更加濃厚的興趣。工作以后，也經(jīng)常跟國內(nèi)外知名學(xué)者交流，包括華中師范大學(xué)張禮知教授，在科研的方向上給了我建議，讓我在環(huán)境光催化方向更加聚焦?？傊?，在科研道路上，得到了很多催化同行的幫助。

問題3：中國催化的研究在國際上處于什么位置？

回答：中國的催化科學(xué)與技術(shù)始于上世紀(jì)初，經(jīng)過先輩的努力使其經(jīng)歷了發(fā)展初期、穩(wěn)定發(fā)展階段和快速發(fā)展時(shí)期。表面科學(xué)、納米科學(xué)的出現(xiàn)和高分辨率表征分析儀器的問世，大大促進(jìn)和深化了催化與不同學(xué)科的交叉融合；同時(shí)在不同歷史時(shí)期下，結(jié)合國家重大需求，中國的催化科學(xué)與技術(shù)在煤化工、石油冶煉、天然氣利用、先進(jìn)催化材料、環(huán)境保護(hù)和清潔能源開發(fā)等方面都做出了重大貢獻(xiàn)。經(jīng)過近三十年的快速發(fā)展，中國在催化領(lǐng)域已經(jīng)做出了不少引領(lǐng)性的原創(chuàng)科研成果，當(dāng)前已成為催化大國并正在走向催化強(qiáng)國。

問題4：目前催化領(lǐng)域的發(fā)展存在的最大的挑戰(zhàn)有哪些？未來有哪些發(fā)展趨勢(shì)？

回答：目前催化領(lǐng)域面臨的最大的挑戰(zhàn)包括：(1)催化本質(zhì)的探索：從電子、分子和原子層面，深入理解催化反應(yīng)機(jī)理和催化劑表界面作用機(jī)理，包括熱催化、光催化和電催化等不同分支，這有利于從原理上指導(dǎo)設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性和選擇性的催化劑；(2)催化技術(shù)的應(yīng)用：研發(fā)低成本高性能的催化組件、多功能催化劑設(shè)計(jì)制備及其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，這可以有效應(yīng)對(duì)能源短缺與環(huán)境污染問題。為了應(yīng)對(duì)催化領(lǐng)域發(fā)展的挑戰(zhàn)，未來的發(fā)展趨勢(shì)包括：(1)利用超高分辨分析電鏡、原位表征技術(shù)、波譜技術(shù)等現(xiàn)代物理化學(xué)原位方法和計(jì)算化學(xué)相結(jié)合的方法去探究催化的本質(zhì)，深入理解認(rèn)識(shí)反應(yīng)機(jī)理，動(dòng)態(tài)識(shí)別催化反應(yīng)過程活性位點(diǎn)的演變規(guī)律；(2)在納米、原子尺度有效調(diào)控催化劑電子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備高性能催化劑；(3)盡管非均相催化在工業(yè)催化中占主要地位，但非均相催化、均相催化和生物催化的融合將成為發(fā)展趨勢(shì)；(4)為了實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展，最終能夠真正解決人類當(dāng)前面臨的難題，設(shè)計(jì)綠色經(jīng)濟(jì)的催化組件仍是很重要的一個(gè)研究方向。

問題5：請(qǐng)您列舉一些您課題組現(xiàn)階段主要的研究方向和學(xué)術(shù)成果。

回答：目前我們課題組的研究方向包括：(1)設(shè)計(jì)制備綠色、經(jīng)濟(jì)、高效的光催化劑，用于解決環(huán)境污染與清潔能源問題，具體方向包括光催化降解揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)、低濃度氮氧化物(NOx)、光催化CO2還原和光電催化固氮；(2)采用原位表征技術(shù)(例如，紅外光譜和電子自旋共振)揭示光催化反應(yīng)過程和機(jī)理，利用密度泛函理論(DFT)計(jì)算模擬催化劑及反應(yīng)過程中內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)變化，通過深入結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征和理論模擬的方法探究微觀結(jié)構(gòu)-內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)-反應(yīng)機(jī)理-反應(yīng)動(dòng)力學(xué)-光催化性能之間的關(guān)系。目前取得的主要的學(xué)術(shù)成果包括：圍繞國家在大氣環(huán)境保護(hù)方面的重大需求，針對(duì)光催化空氣污染物(NO和VOCs)凈化效率不高、反應(yīng)機(jī)理不明確以及中間毒副產(chǎn)物難控制等關(guān)鍵科學(xué)問題，發(fā)展了提升光催化空氣污染物凈化效率的新方法，揭示了光催化凈化空氣污染物和CO2還原的反應(yīng)機(jī)理，提出了調(diào)控光催化過程毒副產(chǎn)物的新策略，為光催化空氣污染物的安全高效凈化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。取得的科研成果推動(dòng)了光催化技術(shù)的應(yīng)用，并已實(shí)現(xiàn)了部分技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

問題6：您認(rèn)為催化發(fā)展和應(yīng)用對(duì)我們的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)會(huì)有哪些影響？

回答：催化是化學(xué)工業(yè)中最重要的技術(shù)，我們衣食住行中很多原料的生產(chǎn)都離不開催化劑。20世紀(jì)，鐵觸煤合成氨的發(fā)明使人類大量免于饑餓，歐盟“地平線2020”計(jì)劃列出的七大社會(huì)挑戰(zhàn)中，有4項(xiàng)的應(yīng)對(duì)策略都要用到催化；在最大宗的50種化工產(chǎn)品中有30種的生產(chǎn)需要催化，而所有化工產(chǎn)品中這一比例占85%。正是由于化工生產(chǎn)的迅速發(fā)展，也帶來了一些環(huán)境問題，因此發(fā)展高效、綠色的工業(yè)催化劑，升級(jí)當(dāng)前化工生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)具有重要意義，這既滿足人們生產(chǎn)生活的需要，又是不以破壞環(huán)境為代價(jià)的可持續(xù)發(fā)展。此外，催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)和能源轉(zhuǎn)換方面的迅速發(fā)展，對(duì)當(dāng)今社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前我國在大氣污染物治理方面面臨重大挑戰(zhàn)，催化技術(shù)發(fā)揮了不可替代的作用。比如，三效催化、選擇性催化還原(SCR)、催化燃燒等技術(shù)，分別在汽車尾氣、氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)污染物治理中起到了核心作用。

問題7：在您的科研生涯中，有什么印象深刻的事情與讀者們分享嗎？

回答：有幾件事情，我印象一直都十分深刻，感覺我和科學(xué)研究之間有一些緣分。這些事情都與實(shí)驗(yàn)研究中的意外發(fā)現(xiàn)有關(guān)。第一件事情是這樣的：2009年，浙江大學(xué)的導(dǎo)師吳忠標(biāo)教授派我到香港理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，我?guī)е鴺O大的熱情去香港做科研。從2009年9月-2010年1月，整整4個(gè)月，幾乎瘋狂地做實(shí)驗(yàn)，覺得自己可以大干一場(chǎng)。遺憾的是，四個(gè)月下來，合成了至少100多個(gè)催化劑樣品，但幾乎都沒有好的催化性能。我甚至開始懷疑自己的科研能力了。2010年1月底，我又帶著希望開始測(cè)試20多個(gè)催化劑樣品，結(jié)果還是一樣，我自己預(yù)期有較好催化性能的樣品，幾乎全軍覆沒！最后一個(gè)樣品，我記得是實(shí)驗(yàn)過程把溶劑乙二醇，誤用水代替了，所以覺得是沒有用的樣品，因此測(cè)試的時(shí)候，放在最后一個(gè)。測(cè)完性能后，發(fā)現(xiàn)活性還是很不錯(cuò)的，我第一直覺是反應(yīng)器漏氣了。然后開始排查，發(fā)現(xiàn)并沒有漏氣。然后開始重復(fù)測(cè)試，測(cè)了第二遍、第三遍，最終確認(rèn)了催化良好的活性！這個(gè)時(shí)候，這個(gè)意外的結(jié)果就引起我的重視了，實(shí)際上我還不知道這個(gè)催化劑是什么。我第二天就用XRD和SEM確認(rèn)了這個(gè)樣品的結(jié)構(gòu)，是玫瑰花狀的碳酸氧鉍微球！微觀結(jié)構(gòu)非常漂亮！這個(gè)結(jié)果再次激發(fā)了我的熱情。接下去就開始對(duì)這個(gè)新材料進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化，一直做到離開香港。以這個(gè)碳酸氧鉍微球的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，我申請(qǐng)到了國家自然科學(xué)基金、省級(jí)重點(diǎn)基金等。一直做到現(xiàn)在，還在挖掘里面有趣的東西?？梢哉f，這是我和科研的一次緣分，一個(gè)錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)，帶來了激動(dòng)人心的結(jié)果，成為我近十年來最重要的研究方向之一！在后來十多年的科研工作中，類似的事情還發(fā)生了幾次，比如發(fā)現(xiàn)Bi金屬單質(zhì)的等離子體光催化現(xiàn)象，也是源于水浴鍋溫度設(shè)定錯(cuò)誤。這說明，在實(shí)驗(yàn)中仔細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)、重視意外實(shí)驗(yàn)結(jié)果甚至是看似錯(cuò)誤的結(jié)果，是非常重要的。

問題8：您認(rèn)為科研人員最重要的品質(zhì)是什么？您對(duì)研究生或年輕的科研工作者有什么建議？

回答：科學(xué)研究中沒有絕對(duì)的真理，因此我認(rèn)為科研人員最重要的品質(zhì)是敢于質(zhì)疑，具備批判性思維，這樣才能夠不斷拓展人類知識(shí)的邊界、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。對(duì)于研究生或年輕的科研工作者的建議有如下幾點(diǎn)：(1)做學(xué)問要誠實(shí)守信，實(shí)事求是，尊重原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性；(2)無論從事哪一種職業(yè)，要想成為本領(lǐng)域中的佼佼者都必須付出比常人多的時(shí)間和精力，科研工作者更是如此，要能夠耐得住寂寞，能夠長期堅(jiān)持不懈地在自己感興趣的研究方向上努力；(3)培養(yǎng)嚴(yán)密的邏輯思維能力，對(duì)于科研工作者來說無論是寫一篇論文還是申請(qǐng)基金項(xiàng)目或者重大科研課題，精準(zhǔn)的學(xué)術(shù)判斷力和嚴(yán)密的邏輯能力就是制勝的法寶。

問題9：工作之余，您有什么興趣愛好？

回答：在工作之余我喜歡聽歌和唱歌。聽歌可以放松身心、消除疲勞，同時(shí)唱歌不僅能使我心情愉悅，還是一個(gè)增加自我滿足感的好方法。此外，我還喜歡爬山，這是一項(xiàng)很好的運(yùn)動(dòng)健身活動(dòng)，同時(shí)也是一個(gè)解壓的好方法。

問題10：請(qǐng)問您認(rèn)為什么是期刊發(fā)展最重要的因素？

回答：我認(rèn)為學(xué)術(shù)論文的質(zhì)量是最重要的因素。優(yōu)質(zhì)的稿源加上嚴(yán)格的審稿可以為讀者提供高質(zhì)量的學(xué)術(shù)信息，這樣才能吸引讀者，增加期刊閱讀量及被引頻次，有利于影響因子的增長，從而也就提高了期刊的學(xué)術(shù)影響力；同時(shí)優(yōu)化編輯出版流程和期刊流通渠道也很重要，比如縮短評(píng)審流程、提供高質(zhì)量審稿意見、在主流學(xué)術(shù)媒體廣泛宣傳等，這可以為作者通過投稿提高稿件質(zhì)量提供幫助，為讀者獲取學(xué)術(shù)前沿信息提供便利；打造期刊特色、創(chuàng)建品牌期刊也很重要，因?yàn)槠放剖强萍计诳诵母?jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)，也是期刊獲取國際國內(nèi)認(rèn)可并不斷累積學(xué)術(shù)影響力的最有力武器。