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章跃标:演绎化学之美

来源:科学中国人scichi      2022-01-05
导读:近日,上海科技大学物质科学与技术学院教授章跃标获得2021年上海市优秀学术带头人项目资助。在他看来,这是一种荣誉,更是一种责任:“我国正处于创新驱动产业转型升级的关键时刻,我们作为科研工作者承载了国家和人民的殷切期望!这个荣誉激励我接续奋斗,在分子基多孔材料研发方面取得更多的突破,进一步去推动产业应用,去推动能源绿色转型,去推动生态环境改善。”

章跃标在上海科技大学2021届毕业典礼上作为教师代表发言(摄影:王泽家)

从“听美”到“悟美”

章跃标的父母一直从事化工行业相关的工作,从他小时候就时常告诉他:“化学非常重要,一条反应方程式就可以养活一个工厂和许多家庭!”耳濡目染之下,他对化学产生了强烈的兴趣。初中时,他就获得了广东省化学竞赛一等奖,这使他受到了很大的鼓舞,从事化学研究的梦想自此产生:“化学是一门实用的科学,我一定要学好化学。”然而,章跃标的大学化学成绩起初并不理想,他因此陷入了迷茫,直到他参加了一个受益终身的科普讲座。

开讲座的有两位先生,一位是如今已经故去的苏锵院士,一位是章跃标后来的导师陈小明教授。“那个时候苏先生对我们讲‘荧光材料是很美的’。”章跃标说,“虽然我因为当时知识受限而看不出来那种美,但是从言语中,能感受到他对化学的深情和专注。”通过感受老一辈科学家的精神风貌,章跃标顿悟了自己未来的路要如何走:必须摒除外界干扰,静下心来做学问。陈小明教授则在讲座上呼吁大家奋发图强,共同追赶化学研究国际前沿的脚步。一番令人热血沸腾的讲话使章跃标更加坚定了为国家和社会而努力的决心。

通过选修陈老师的课,他渐渐对超分子晶体工程产生了浓厚的兴趣:“怎样通过合理设计拼装出各式各样的超分子建筑?既可以做‘分子拉链’,又可以做‘分子笼子’,这实在是太奇妙了!”于是,他通过自己的努力加入了陈小明教授的研究团队,从此开始了本科和研究生的科研实践。“直到后来跟随陈老师做研究,我才真正领悟到化学的魅力。”当自己也深入化学研究、全心钻研,章跃标才发自内心地体会到:“化学真的是很美!我也无法向别人描述,但我身处其间,可以真切地感受到超分子结构的建筑美学。”

十多年过去了,章跃标提到他第一个关于金属-有机框架(以下简称MOF)的研究工作时,仍然高兴得像个孩子。“那是我们第一次用三维渲染软件把MOF的晶体结构画出来,把它复杂的孔洞结构画得很漂亮,现在看来仍旧如此。我一辈子都可以拿出这张图来说,这是我画过的最漂亮的一张晶体结构图。”除了感悟化学之“美”,章跃标在研究生期间还完成了一项高连接MOF结构设计和性质研究的重要成果。相关研究成果使他荣获教育部首届“博士研究生学术新人奖”,并为他后来拓展化学之“用”奠定了重要基础。

从“好看”到“好用”

章跃标发现的高连接MOF材料具有极高的孔洞率(高达70%的晶体体积)、超高的比表面积(超过2000m^2/g)和优越的气体吸附性质。如何充分利用这个多孔性质来实现物理吸附储氢的优越性能是他接下来要啃的硬骨头。

选定这个目标后,章跃标与合作者对这一研究体系一扎下去就是整整3年。通过对MOF的多孔结构的精细调节来实现储气性能的合理调控,他们将原本的单个晶体结构发展成13例新材料,从仅有的低压条件下的气体吸附性质研究拓展至高压条件下的氢气存储性能评价。最终,他和研究团队实现了该类MOF材料在77K下的储氢容量高达7.5wt%的新纪录。

博士毕业后,章跃标随即前往美国加州大学Omar M. Yaghi教授课题组开展博士后研究,一次“毛遂自荐”使他获得了这一工作。当时,在陈小明教授课题组不仅能开展前沿的研究课题,而且能经常接触到国外来访的国际知名专家学者。正当章跃标在研究中遇到困难关口,MOF研究领域的奠基人之一Omar M. Yaghi教授恰好应邀到中山大学作学术报告。章跃标主动担当了这个学术活动的研究生志愿者,在接待工作中获得了更多与Yaghi教授交流的机会。通过学术报告和交流,他进一步了解了MOF材料的最新研究进展及其在未来环境、能源领域的广阔应用,备受鼓舞的同时明确了未来发展的方向,并在送Yaghi教授去机场的路途中获得了与其合作的机会。诚然,这是一次机缘巧合,但充分的准备才能把握住机会。

进入Yaghi教授实验室后,章跃标主动选择了更加具有挑战性的共价有机框架(以下简称COF)研究方向。相较于MOF材料的配位组装,COF材料是完全由共价键链接而成的晶体多孔材料,具有更好的结构稳定性和更广阔的应用前景,但是结晶更加困难,结构测定更是难上加难。“但是没多久,我又非常幸运地遇到一个来访的教授,她是斯德哥尔摩大学的邹晓冬教授。她发展了一种利用电子衍射解析仅有亚微米尺寸单晶的结构分析技术。于是我就想,能不能跟她合作解析COF的单晶结构?”又是一次毛遂自荐使章跃标达成了重要的研究合作,他也成为率先采用电子衍射来解析COF单晶结构的研究者之一。

在COF研究领域打造了属于自己的第一块“金字招牌”对章跃标今后的研究工作和职业生涯产生了极大的帮助和重要的影响。之后,他又陆续在《科学》《自然·通讯》《美国化学会志》《德国应用化学》《化学科学》等国际顶尖杂志上发表了相关研究成果。

国之大者,创新策源

2015年2月,章跃标正式加入上海科技大学,成为这所新兴大学的独立课题组组长。在那之前,他作为教授候选人来到上海科技大学,参加第二轮面试后正巧是2014年9月30日,这一天不仅是上海科技大学获教育部批准同意正式建立一周年,也是第一届本科生暨第二届研究生开学典礼的重要日子。

典礼上,江绵恒校长演讲中提及的服务创新驱动发展国家战略创校理念和对未来中国能源科技创新的展望再一次激励了他。“听完之后,我真是心潮澎湃,立刻下定决心要加入这样的一所新型研究型大学,和大家共同建设中国能源绿色转型的未来。”于是处理完手头工作后,章跃标就立刻启程返回祖国,按照国际标准和安全规范打造分子基多孔材料研究的先进实验室。2019年1月,章跃标实验室被评为2018年度上海市高校治安安全示范点。

如今,章跃标所领导的课题组也已经成为化学、物理和材料科学学科交叉、人才梯队配置合理的研究团队。他们不仅在国际知名学术期刊发表了系列前沿的研究工作,针对天然气汽车在长途运输应用中所需储气量大、工作压力高等问题,提出了多组分适配策略构筑高比表面积等级孔材料,打破了超高甲烷存储容量纪录,实现了从材料到器件的重要突破,并已着手开展了一些科研成果的落地转化。

面向国家“碳达峰、碳中和”的重大需求,分子基多孔材料将在碳中和能源应用中发挥着重要作用。在前期研究的基础上,章跃标团队已经完成了“碳捕集新颖机制”建立等工作。他们针对传统烟道气碳捕集技术再生能耗大、易毒化、设备腐蚀等痛点,提出了框架稳定性设计策略和动力学选择性吸附方法,实现了烟道气高性能、低能耗、直接固体吸附。相关研究成果已在国内外学术界取得良好口碑。下一步,团队将进一步优化材料的规模化生产和加工成型,以期实现在更为贴近的工况下,对二氧化碳真正的高效分离与捕集。

章跃标表示,在未来的几年里,他和团队将集中精力开展多孔框架材料的碳中和应用研究,为早日实现“双碳”目标和科技自强自立的中国科技梦奉献自己的力量。

参考资料:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1721084681292270085&wfr=spider&for=pc

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