光照綠色科研路
——記寧夏大學(xué)能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員馬保軍

本刊記者 林 鷺

光照綠色科研路
——記寧夏大學(xué)能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員馬保軍

本刊記者 林 鷺

太陽(yáng)光，奇妙而又神秘，賦予萬(wàn)千生靈以生命；氫，無(wú)色亦無(wú)味，最輕的氣體卻蘊(yùn)藏?zé)o限的能量。將自然界豐富、清潔的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高燃燒值、零環(huán)境污染的氫能，不僅可以有效解決世界化石能源逐步枯竭的問(wèn)題，而且能夠杜絕化石能源引起的環(huán)境污染現(xiàn)象。為了更有效地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，寧夏大學(xué)能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的馬保軍副研究員潛心科研多年，在綠色能源的道路上默默前行。

寶劍鋒從磨礪出，“光催化”之路未艾方興

能源是人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，能源安全牽一發(fā)而動(dòng)全身，關(guān)乎到國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定，早已成為不折不扣的戰(zhàn)略性問(wèn)題。上世紀(jì)90年代，馬保軍在武漢研究所從事“磁粉芯的開(kāi)發(fā)和利用”的研究時(shí)，就已經(jīng)注意到這個(gè)問(wèn)題的重要性。

到2001年，馬保軍在畢業(yè)幾年之后，重回母校中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），攻讀碩士學(xué)位。那四年里，他開(kāi)始著手從事“光催化降解有機(jī)物”研究。和“光催化”親密接觸之后，馬保軍很快認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)能不僅可以用于保護(hù)環(huán)境，而且可以作為綠色可再生能源來(lái)解決能源危機(jī)問(wèn)題。他相信，開(kāi)發(fā)、利用取之不竭、用之不盡的太陽(yáng)能，將會(huì)是未來(lái)能源發(fā)展的新趨勢(shì)。

為了能夠在光催化研究中有更深層次的突破，馬保軍瞄準(zhǔn)了國(guó)內(nèi)頂尖科研基地——中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所。2005年，他順利考進(jìn)大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，師從著名科學(xué)家李燦院士，主攻光催化分解水制氫研究，開(kāi)始了博士生涯。

濃厚的學(xué)術(shù)氛圍、先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，以及殫見(jiàn)洽聞的導(dǎo)師，馬保軍對(duì)這里的一切都十分滿意。他就像一塊海綿，從這方廣闊的空間不斷吸納著能量。2005年至2010年，五年的時(shí)光，馬保軍廣涉國(guó)內(nèi)外光催化最前沿的學(xué)術(shù)報(bào)道，形成了獨(dú)立的創(chuàng)新思維模式。在李燦院士的指導(dǎo)下，他不斷更新著自己的成果列表：發(fā)現(xiàn)一種新型廉價(jià)的產(chǎn)氧催化劑Co2O3，其光催化產(chǎn)氧效果優(yōu)于以前的IrO2、RuO2；設(shè)計(jì)出三元催化劑（吸光材料，產(chǎn)氧助催化劑和產(chǎn)氫助催化劑），采用貴金屬和過(guò)渡金屬氧化物助催化劑共同擔(dān)載在Zn2GeO4上來(lái)進(jìn)行光催化分解水……

尤其值得稱(chēng)道的是，他在2010年，于國(guó)內(nèi)首次提出固溶體相結(jié)合的概念——擔(dān)載IrO2使鋅鍺氧氮化物的光催化產(chǎn)氧活性提高了6倍。其研究成果分別發(fā)表在Catal.Lett與J.Phys.Chem.C等期刊。為了更加快捷地表征催化劑的活性，他設(shè)計(jì)出六通道的組合化學(xué)光催化反應(yīng)裝置，使得光催化劑的活性表征效率大大提高。這項(xiàng)裝置后來(lái)獲得了專(zhuān)利授權(quán)。

在光催化領(lǐng)域找準(zhǔn)自己的方向后，他不計(jì)寒暑，不問(wèn)春秋，兢兢業(yè)業(yè)。2010年博士畢業(yè)后，在寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉萬(wàn)毅院長(zhǎng)的極力引薦下，他毅然投身于祖國(guó)西部建設(shè)，來(lái)到寧夏大學(xué)能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。之后，他努力工作，籌建了光催化實(shí)驗(yàn)室。2012年1月至2013年1月，在李燦院士與韓洪憲研究員的推薦下，馬保軍赴韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院(kaist)，與合作導(dǎo)師Seong Ihi Woo從事光催化制氫博士后研究。馬保軍刻苦鉆研設(shè)計(jì)并合成出三元復(fù)合催化劑Pt/MoO3/TiO2用來(lái)光催化產(chǎn)氫。該催化劑與同等條件下合成的Pt/P25復(fù)合催化劑相比產(chǎn)氫活性提高了整整2倍，相關(guān)成果發(fā)表在中科院一區(qū)期刊Int.J.Hydrogen Energy上。

積跬步以致千里，綠色之路放光彩

所謂“智者不銳，慧者不傲，謀者不露，強(qiáng)者不暴”。馬保軍走入寧夏能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室后，用謙虛好學(xué)、不畏艱苦、意志堅(jiān)強(qiáng)的個(gè)人魄力真正詮釋了這16個(gè)字。

能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室其實(shí)占據(jù)著很多個(gè)“第一”——寧夏第一個(gè)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏第一個(gè)地方“1號(hào)工程”重大項(xiàng)目依托科技平臺(tái)，寧夏高校第一個(gè)區(qū)域煤化工產(chǎn)業(yè)重要研究基地和人才基地，寧夏大學(xué)第一個(gè)工科類(lèi)特色品牌實(shí)驗(yàn)室，寧夏大學(xué)第一個(gè)科研項(xiàng)目直接與服務(wù)區(qū)域發(fā)展相融合的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

然而即使如此，它早期的狀況也還是令人唏噓。來(lái)西部之前，馬保軍已經(jīng)做好了心理準(zhǔn)備，但沒(méi)想到這里的科研經(jīng)費(fèi)匱乏且不說(shuō)，就是實(shí)驗(yàn)設(shè)備也跟不上，甚至連很多裝置儀器都需要自己動(dòng)手去搭設(shè)。在這樣的情況下，馬保軍并沒(méi)有抱怨客觀條件的簡(jiǎn)陋，他堅(jiān)信：“勝人者，必先自勝”，要想真正促進(jìn)寧夏的科研建設(shè)，必須從自我做起，權(quán)當(dāng)做是一個(gè)創(chuàng)業(yè)的過(guò)程。幾年下來(lái)，馬保軍先后獲得寧夏自然科學(xué)基金1項(xiàng)（已結(jié)項(xiàng)）、國(guó)家自然科學(xué)基金1項(xiàng)、2014年度留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助1項(xiàng)。2014年，又被選入寧夏回族自治區(qū)百人計(jì)劃。

樂(lè)觀積極的他，總是習(xí)慣看到陽(yáng)光的一面。對(duì)他來(lái)說(shuō)，來(lái)寧夏未必是件壞事。寧夏所處的西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)雖然相對(duì)落后，但其地理特征和氣候條件，也造成了寧夏太陽(yáng)直接輻射多、散射輻射少的特點(diǎn)，太陽(yáng)能資源比起武漢和大連來(lái)，要充沛很多，是一個(gè)天然的太陽(yáng)能“生產(chǎn)基地”。如果再算上距離以華北地區(qū)為代表的能源消費(fèi)市場(chǎng)很近的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，選擇寧夏其實(shí)對(duì)馬保軍的研究十分有利。

因此，他以加倍的熱忱投入到研究中，取得了出色的進(jìn)展。根據(jù)光催化降解有機(jī)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，馬保軍課題組自行研發(fā)的X/XY型異質(zhì)結(jié)光催化劑ZnO/ZnGa2O4，降解甲基橙的效率可達(dá)到82%。而這個(gè)光催化產(chǎn)氫活性的數(shù)據(jù)，在單純的ZnO身上只能達(dá)到6%，常規(guī)的ZnGa2O4也只有47%。一對(duì)比，馬保軍的成果一下子凸顯了出來(lái)，竟然能夠?qū)⒒钚苑謩e提高13倍和近2倍，性能可見(jiàn)一斑。而后，這兩項(xiàng)成果均被發(fā)表在Appl. Surf. Sci.上。

事實(shí)上，開(kāi)發(fā)助催化劑、研究助催化劑的分子及納米組裝方法絕不是馬保軍的終極理想，他的目光更多聚焦在助催化劑的性價(jià)比上——要性能優(yōu)異、價(jià)格低廉，要對(duì)環(huán)境友好，要可以替代貴金屬。

他想的很清楚。太陽(yáng)能光催化分解水制氫是一項(xiàng)零污染的綠色化科研道路，只不過(guò)由于體系十分復(fù)雜，加之傳統(tǒng)光催化價(jià)格昂貴，才限制了其工業(yè)化進(jìn)程。要走好這條路，新型高效、低成本的光催化分解水制氫的催化體系的研究勢(shì)在必行。助催化劑的使用就是往這潭看似平靜的水面上投下了一顆小石子。它可以有效降低產(chǎn)氫（產(chǎn)氧）的過(guò)電位，抑制主催化劑的光生電子和空穴復(fù)合，促進(jìn)光催化制氫效率提高，好處多多。但不足之處是目前所使用的助催化劑主要為貴金屬，固然可以有效提高光催化產(chǎn)氫效率，也會(huì)導(dǎo)致光催化劑成本的高昂。這樣一來(lái)，要實(shí)現(xiàn)光催化分解水制氫的工業(yè)化必須攻克光催化分解水反應(yīng)效率低以及反應(yīng)體系成本高昂兩個(gè)難關(guān)。馬保軍做到了。他首次設(shè)計(jì)、合成出一系列具有類(lèi)貴金屬性質(zhì)的Mo基W基化合物（氮化物、碳化物、磷化物）作為助催化劑以替代貴金屬。例如，其課題組設(shè)計(jì)并合成的Mo2C/CdS復(fù)合催化劑光催化產(chǎn)氫效率達(dá)到1600μmol/h·g與同等條件下合成的CdS相比光催化產(chǎn)氫活性提高了9倍，為光催化的工業(yè)化道路打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

觸類(lèi)旁通巧思變，綠色科研發(fā)新芽

同太陽(yáng)能一樣，生物質(zhì)也是一種可再生資源。生物質(zhì)在制備糠醛時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物糠醛渣，使用糠醛渣水解制備葡萄糖，其水解效率很低，一般在20%以下。為合理利用副產(chǎn)物糠醛渣，馬保軍與寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院劉萬(wàn)毅課題組合作，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖的研究工作中開(kāi)辟了新道路。該團(tuán)隊(duì)首先對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理不僅可以破壞木質(zhì)素、半纖維素對(duì)纖維素的包裹，還可以破壞纖維素自身的晶體結(jié)構(gòu)和聚合度，從而提高纖維素的可及度及疏松性，增加可用表面積和底物的孔體積。該團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)的H2O2/NaOH化學(xué)法、微波/NaOH、超聲波/NaOH等預(yù)處理技術(shù)使木質(zhì)素的去除率達(dá)到95%～99%。

為了實(shí)現(xiàn)糠醛渣快速高效的水解為葡萄糖，馬保軍和劉萬(wàn)毅團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)研究了兩種酸催化劑。其中，液體催化技術(shù)具有高效率，固體酸催化技術(shù)具有綠色無(wú)污染、低耗可再生的特點(diǎn)。而經(jīng)過(guò)他們自發(fā)研究的預(yù)處理技術(shù)后，新樣品在液體酸催化下的糠醛渣水解2小時(shí)內(nèi)可獲得高達(dá)60%以上的葡萄糖產(chǎn)率，固體酸催化劑12小時(shí)內(nèi)可獲得30%以上的葡萄糖產(chǎn)率，液體酸催化劑的TOF是固體酸的5倍。

至此，馬保軍和劉萬(wàn)毅課題組已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了糠醛渣預(yù)處理技術(shù)和固體酸催化水解等技術(shù)。該系列成果在Bioresoure Technology上連續(xù)發(fā)表兩篇文章，是寧夏大學(xué)科研成果首次進(jìn)軍中科院一區(qū)雜志，實(shí)現(xiàn)零的突破，標(biāo)志著寧夏大學(xué)和寧夏回族自治區(qū)的生物質(zhì)新能源轉(zhuǎn)化研究方面得到國(guó)際同行認(rèn)可。不積跬步無(wú)以至千里，不積小流無(wú)以成江海，科研之路，伴隨千千萬(wàn)萬(wàn)次的實(shí)踐，成功與失敗更是取決于細(xì)微之處，其中艱辛也只有科研者能夠體會(huì)。他一步一個(gè)腳印，憑借自己敏銳的發(fā)現(xiàn)，縝密的思維，在光催化和綠色新能源的道路上獨(dú)樹(shù)一幟、闊步向前。

嘔心瀝血傳薪火，教壇無(wú)言寫(xiě)春秋

多年科研之路，馬保軍對(duì)未來(lái)有自己的真知灼見(jiàn)，光催化與生物質(zhì)的結(jié)合，不僅能夠解決環(huán)境污染問(wèn)題，而且為能源的可持續(xù)性發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)新的方向。潛心科研的同時(shí)他還為寧夏當(dāng)?shù)乜蒲薪ㄔO(shè)、人才培養(yǎng)、科技創(chuàng)默默地貢獻(xiàn)自己的力量。

在培養(yǎng)研究生工作中，馬保軍始終以在大連化物所養(yǎng)成的科學(xué)素養(yǎng)來(lái)要求學(xué)生，堅(jiān)持把李燦院士的科研精神傳承給學(xué)生。“嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、務(wù)實(shí)、負(fù)責(zé)、多思、好學(xué)”，始終是他堅(jiān)持的十二字方針。對(duì)待低年級(jí)的研究生，他逐字逐句地為學(xué)生講文獻(xiàn)，細(xì)致地教導(dǎo)讀文獻(xiàn)的方法，囑咐學(xué)生一定要多讀多歸納，常想常創(chuàng)新，只有站在前人的肩膀上，才能開(kāi)拓創(chuàng)新，形成自己的新思路。他常與學(xué)生一同做實(shí)驗(yàn)，耐心為學(xué)生講解每個(gè)裝置的使用方法，一起分析解決實(shí)驗(yàn)中所遇到的難題，教會(huì)學(xué)生分析表征數(shù)據(jù)。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)、可靠性，他多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以保證科研結(jié)果的準(zhǔn)確性。他安排課題組學(xué)生每?jī)芍芏ㄆ趨R報(bào)工作，在檢查指導(dǎo)學(xué)生工作的同時(shí)，便于課題組成員交流學(xué)習(xí)，融匯貫通知識(shí)體系。他凡事親力親為，不怕苦、不怕累，以大連化物所的科研精神為標(biāo)桿以期培養(yǎng)出一流的研究生。

提起馬保軍，大家無(wú)不欽佩他的博聞強(qiáng)識(shí)，贊嘆他兢兢業(yè)業(yè)的精神，感謝他不辭辛勞的付出。我們看他，辛苦而又艱辛，但在他看來(lái)，這樣快節(jié)奏的生活正是他的夢(mèng)想所在，在綠色科研道路上，馬保軍始終累并快樂(lè)著。