當(dāng)光照進(jìn)催化的殿堂

王陽明

在網(wǎng)絡(luò)游戲并不發(fā)達(dá)的童年，我最喜歡的事就是守在電視機(jī)前，等候每晚準(zhǔn)時播出的“我愛發(fā)明”節(jié)目，或者抱著幾本《游戲中的科學(xué)》，津津有味地翻閱各種趣味實驗，如果材料齊全，就自己嘗試完成。久而久之，盡管對“科學(xué)”這個宏大的概念仍然缺乏理解，我也滿口“科學(xué)”“理論”起來。感謝這段童年時光，感謝各類百科全書，也感謝那些譯制紀(jì)錄片，讓我在懵懂的年代享受到了科學(xué)的啟蒙。

進(jìn)入杭州外國語學(xué)校后，憑借興趣，我逐漸打破了閱讀外文資料的困難，開始搜集各種科普文獻(xiàn)和關(guān)于學(xué)科前沿的介紹，盡可能地捕獲關(guān)鍵信息并通過網(wǎng)上檢索或者向前輩們請教加以理解。2020年1月，我幸運地入選英才計劃，在浙江大學(xué)化學(xué)系何巧紅教授的悉心指導(dǎo)下，開啟了化學(xué)科研的大門。

探尋心儀領(lǐng)域

英才計劃培養(yǎng)伊始，何巧紅老師曾多次找我談話，在尋找研究方向這個話題上，何老師反復(fù)論證的“興趣是最好的老師”，給我留下了深刻的印象。

在導(dǎo)師的精心安排下，我有幸聆聽了多位教授的講座。第一堂講座的主講人是李浩然教授，他從各種粒子的半徑差異講起，介紹了化學(xué)學(xué)科的誕生，并闡述了從肉眼觀察到儀器分析這一研究方式上的轉(zhuǎn)變，以及人體對于冷、熱的感覺;同時，李老師還詳述了熱力學(xué)從具體問題走向抽象分析的發(fā)展史，并介紹了熱和功的定義、量度，以及相互轉(zhuǎn)化的方式，為我后續(xù)學(xué)習(xí)紅外光譜打下了基礎(chǔ)。后續(xù)的講座上，陸展教授向我們介紹了有機(jī)化學(xué)的定義、研究對象和課題案例，帶我們走進(jìn)功能性藥物合成等研究前沿。除此之外，我還利用課余時間自學(xué)元素化學(xué)、基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)知識，為未來可能的研究方向作知識儲備。實踐方面，在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，我完成了對苯甲酸和正丁醇的紅外光譜實驗，并分析了各特征峰與指示基團(tuán)的對應(yīng)關(guān)系，這一經(jīng)歷讓我對通過儀器“看”物質(zhì)更有興趣了。

問題引出課題

開展課題研究是英才計劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，我最終選擇“源于天然纖維素物質(zhì)的二氧化鈦納米復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究”作為課題。二氧化鈦具有諸多優(yōu)異性能，在墻漆、防曬霜等場景中得到了廣泛應(yīng)用，但作為光催化劑，二氧化鈦存在價帶電子受激波長范圍小、比表面積小等缺點。

在師兄的啟發(fā)下，我采用模板法，以具有優(yōu)異空間結(jié)構(gòu)的纖維素作為模板，合成二氧化鈦納米纖維，經(jīng)超聲分離和灼燒得到比表面積更大的二氧化鈦納米管，利用納米效應(yīng)顯著增加材料的比表面積。同時，采用尿素與二氧化鈦納米管共同灼燒，形成混合氣體氛圍并吸附在二氧化鈦納米管表面形成氮化碳層，在可見光下吸收良好的氮化碳作為改性劑，有效改善了二氧化鈦在可見光波段的催化性能，而且2種半導(dǎo)體間的異質(zhì)結(jié)物也有效提升了電子的遷移速率，抑制了光生電子-空穴對的復(fù)合。

制備完成后，即可將所得樣品投送X射線衍射儀和熱-重分析，在師兄的指導(dǎo)下，我親自操作掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡及紅外光譜分析儀對所得產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。以工業(yè)染料亞甲基藍(lán)為代表，探究氮化碳含量不同的光催化劑催化降解有機(jī)染料的性能差異，發(fā)現(xiàn)氮化碳含量接近一半時，光催化劑具有優(yōu)異的吸附和催化性能，豐富了光催化劑用于污染控制的數(shù)據(jù)儲備。

盡管受到新冠疫情的影響，我仍然在有限的20天內(nèi)完成了制備實驗、結(jié)構(gòu)表征和光催化性能測試，順利完成了課題。在此過程中，我曾面臨不計其數(shù)的困難，比如對抽象概念的理解都是巨大的挑戰(zhàn)，但是通過不斷查閱資料，對于無機(jī)光催化劑我逐漸形成了較為明晰的概念。

向院士前輩請教深受啟發(fā)

2020年10月，作為浙江省的中學(xué)生代表參加了第三屆世界頂尖科學(xué)家論壇系列會議。在論壇前的少年英才交流對話會上，我向復(fù)旦大學(xué)鄭耿鋒教授請教了催化降解污染物的多種途徑，并且報告了自己的課題成果。鄭教授非常熱情地向我分析了光催化劑的價值，以及存在的缺陷，包括但不限于光腐蝕、低能效比、低選擇性、催化劑粒子團(tuán)聚等，其中部分問題是光催化劑普遍存在的，作為研究方向，光催化學(xué)具有不可替代性，但難以投入工業(yè)生產(chǎn)。

此外，鄭教授還介紹了同樣利用光作為能源和啟動信號的光能酶催化領(lǐng)域，極大地豐富了我對催化領(lǐng)域的認(rèn)知，就像植物的光合作用難以復(fù)刻一樣，利用反應(yīng)機(jī)理尚不明晰的酶作為催化劑，更加能夠感受到自然界令人贊嘆的精密，光能酶在溫和反應(yīng)條件下就具有高效率和高選擇性，這為我未來的科研方向選擇提供了新的思路。

在后續(xù)的論壇中，我有幸旁聽了前沿化學(xué)家在核廢料處理、水凝膠等方面的新成果，并從中學(xué)習(xí)到他們思考問題時跨學(xué)科的視角。化學(xué)泰斗們對于綠色化學(xué)領(lǐng)域的高度肯定，讓我對自己的研究方向更加堅定。我相信源于自然界的光和自然物質(zhì)衍生的催化劑相互配合，一定會讓環(huán)境治理的手段更加豐富、更有成效。

正如科學(xué)T大會上諾貝爾化學(xué)獎得主邁克爾·萊維特教授所說的，對于基礎(chǔ)科學(xué)的廣泛研究，為靠近原創(chuàng)性科研成果發(fā)放了更多的“入場券”。當(dāng)今科技的飛速進(jìn)步，正是得益于前輩們大膽的探索和謹(jǐn)慎的實驗論證，即便是模擬微觀結(jié)構(gòu)的計算機(jī)，也需以大量數(shù)據(jù)的預(yù)先鋪墊為基礎(chǔ)。

科學(xué)的道路，既需要理論的計算，也離不開實踐的檢驗。無論未來的事業(yè)如何，我都會像約翰·霍普克羅夫特教授說得那樣，堅持和熱愛自己所從事的領(lǐng)域，以足夠包容和開放的視角，面對所發(fā)生的改變與機(jī)遇。