REPORTER'S

NOTES

人物素描

近年来，环境污染与能源短缺越来越引发人们的关注，一方面，人类工业文明对煤炭、石油等化石能源的需求日益增大，导致这些资源日渐枯竭；另一方面，化石能源的使用还会导致气候变暖和环境污染，已严重威胁人们的生存。这两方面彼此关联，相辅相成，只要解决其中一个，另一个也就能迎刃而解，寻求高效清洁的可再生能源成为全世界科学家的共同课题。习近平主席在 2020年9月22日召开的联合国大会上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030年前达到峰值，争取在 2060年前实现碳中和。”今年政府工作报告也对二氧化碳减排作出了明确要求。这些听起来与环保、能源相关的话题，实际上要运用多学科的交叉、跨领域的融合，而化学作为基础学科，在其中占据了十分重要的位置。

本次的采访对象，就是一位做能源相关研究的材料化学教授。在做采访前功课时，记者感到过困惑，像这样级别的专家学者，研究的内容不说是闻所未闻的，至少也应是些“晦涩难懂”的，而他的主攻方向却是“平平无奇、人尽皆知”的——光合作用。这个大家都知道的学科有什么值得深入研究的价值吗？它和能源又有什么关联？带着一大堆问号，记者见到了他——天津理工大学材料科学与工程学院院长鲁统部教授。

不知是出于对学科的热爱，还是看出了记者的疑惑，鲁教授一上来就和记者介绍起了自己的专业。“光合作用广泛存在于自然界，以绿色植物等为依托，借助太阳光，通过叶绿体收集太阳光能，将二氧化碳和水转化成富有能量的有机化合物，并释放出氧气。光合作用为地球上所有复杂的生命提供能量和氧气，是地球上生命赖以生存的基础反应。光合作用就在我们身边，天天都在进行，将这一自然反应人工化，就可以源源不断生产清洁能源。”鲁统部简单几句话就解开了记者先前的诸多疑问。

然而，物种进化的伟大成就也成了科学家几乎不可逾越的屏障。早在上世纪70年代初，科学家就开始尝试模拟光合作用储存太阳能，“但太阳能到化学能的转化效率太低，远远达不到实用化的目标”。能像那些植物一样，时时刻刻悠闲平静地将太阳能转化为化学能，就是鲁统部的科研理想。在实现理想的路上，他已经走过了30多年，并且现在还在不断探索。这么多年只做这一项工作，其中的枯燥寂寞是旁人难以体会和理解的，但鲁统部似乎并未察觉，甚至还乐在其中。“最重要的是要有兴趣，喜欢并且热爱自己从事的工作。”化学是基础学科，又是实验科学，实验中遇到的变量很多，为了得到一个严谨的结论，需要通过大量的实验探索和求证。“我曾经带过一个女学生，从研究生开始就专攻一项实验，一直做到博士才成功，这期间她经常哭着鼻子从实验室出来。”鲁统部说，在他看来，基础科学独特的魅力正在于此——只有通过艰苦探索，才能找到答案。

“搞科学研究不付出超过常人的努力，怎么能获得超过他人的成果？”鲁统部经常用这句话激励师生。“我国目前承诺的碳达峰到碳中和的时间仅为30年左右，这样的转型力度前所未有，也是对我们科研人员提出的更高要求。”作为高校的学科带头人，鲁统部坚持将国家重大需求与自己的科研方向紧密结合，围绕清洁可再生能源生产等关键材料与技术，开展新能源催化材料与器件的研发。他先后承担了国家科技重大专项、国家重点研发计划课题、国家基金重点项目等一批国家重大重点项目，在国内外高水平杂志上发表论文近300篇，被SCI他引9000余次，H因子54；获授权中国发明专利23项，2006年获国家杰出青年基金，2012年被评为国务院政府特殊津贴专家，2012年获国家自然科学二等奖（排名第5），2013年获国家自然科学二等奖（排名第3），2014年入选英国皇家化学会会士，2018年获评天津市主题教育优秀共产党员称号，2019年获天津市优秀科技工作者称号，2020年当选天津市劳动模范，2021年又获得全国五一劳动奖章。

鲁统部在教育与科研上能取得如此成绩不是偶然的，那些激励师生的话，也是他自己的座右铭。“搞科学研究就要耐得住寂寞、耐得住清贫，要持之以恒，要肯于投入时间，要付出毕生精力。”几十年来，鲁统部一直坚守在教学科研第一线，潜心问道、辛勤耕耘。在学生的印象中，鲁教授经常加班到深夜，周末也坚持工作，每次出差都是马不停蹄，回来后的第一件事不是回家而是来学校工作。“我们赶上了好时候，无论是国家、天津市还是理工大学，都为我们提供了非常优越的科研环境，在这种条件下，我们更没有理由停滞不前。”

采访结束前，记者在楼道里看到了一排排装订整齐的英文论文，鲁统部笑着随手拿起一篇说：“这是我们一位博士生在《德国应用化学》上发表的论文。”然后，他又指了指下面一排，“这里还有很多。”面对这些论文，鲁统部的神情里充满着骄傲，话语中透露着自豪。

专注，源于热爱；坚守，方出成绩。无论是做科研还是做老师，鲁统部始终都秉持着那颗热爱的赤诚初心，坚守如一。如今，由鲁统部培养出的学生也像他们的前辈一样，在各自的科研岗位上默默进行着“光合作用”，不遗余力地发挥着自己的能量……

鲁统部在教育与科研上能取得如此成绩不是偶然的，那些激励师生的话，也是他自己的座右铭。“搞科学研究就要耐得住寂寞、耐得住清贫，要持之以恒，要肯于投入时间，要付出毕生精力。”几十年来，鲁统部一直坚守在教学科研第一线，潜心问道、辛勤耕耘。

EXCLUSIVE

DIALOGUE

独家对话

记者：人工光合作用应该是您研究的一个大方向，您能否简单介绍下？

鲁统部：从专业角度来说，我主要从事的是配位化学领域的研究，早期是研究大环化合物配位空间对金属离子的识别作用，后来发展到具有特殊笼状及多识别位点配位限域空间金属有机框架材料（MOFs）的定向构筑方法。这些都进一步拓展了上述配位及分子笼限域空间对小分子的高效识别与催化转化方面的应用，实现了类生物酶功能在常温常压下稳定碳—碳化学键的活化，以及惰性温室气体二氧化碳的高效催化转化，也就是俗称的人工光合作用。

记者：您在人工光合作用研究方面取得了哪些进展？

鲁统部：受生物酶对底物分子识别和催化反应过程的启发，最初我们设计合成了能同时结合二个金属离子的氮杂大环穴醚分子笼，利用分子笼中双核铜限域空间对氰根的高效识别和协同配位作用，削弱了与氰根相连的C-C化学键，使其在室温和大气环境下能够高效活化并裂解乙腈稳定的碳—碳键，生成氰根桥联的配合物和甲醇。结构类似的单核金属配合物无催化裂解乙腈碳—碳键的活性，表明分子笼中双核金属协同催化是活化断裂乙腈碳—碳键的关键。基于上述协同配位活化机理，发展了一类在常温常压下高效光催化二氧化碳还原为一氧化碳的大环双核钴分子笼新体系，其催化活性远高于相应的单核钴配合物及文献报道的大部分催化剂。实验和理论计算结果表明，分子笼限域空间中的两个钴离子间存在协同催化作用，其中一个Co（II） 作为催化活性中心结合和还原二氧化碳，另一个Co（II）作为辅助催化位点促使氢氧根的离去，从而有利于反应中间体O=C-OH中的C-OH键断裂，降低了速控反应的活化能。基于 “双核金属协同催化”的概念，我们进一步设计和构建了大环穴醚异核CoZn配合物催化剂。由于Zn（II）比Co（II）具有对氢氧根更强的结合力，更有利于反应中间体O=C-OH中OH的离去，其催化活性比双核钴配合物提高了4倍，比单核钴配合物高40倍。

受我们科研项目的启发，随后，国内外多个课题组构筑了系列均相和非均相双核金属催化中心，并证实了我们提出的双核金属协同催化的新理念。此外，我们还利用环糊精限域空腔对底物分子的高效识别作用，使CdS量子点在水溶液中能够高选择性将高浓度醇光催化氧化偶联生成二醇，或将低浓度醇氧化脱氢生成醛，同时放出氢气，实现有机产物绿色合成和100%原子利用率，该科研成果发表于国内化学旗舰期刊CCS Chem.。以上研究为构建新型高效人工光合作用催化体系提供了全新的设计理念。

记者：这些对人工光合作用的研究对保护生态环境有哪些推动作用？

鲁统部：水氧化由于涉及到多步电子和质子转移反应，成为人工光合作用研究的瓶颈。我们利用大环镍金属的配位空间限域效应构筑了高效电催化水氧化体系。研究发现，将二个羟基限域在镍离子的顺式位置后，可发生新型的分子内O-O键偶联反应，从而降低了水氧化速控反应的活化能，提高了水氧化的催化活性。我们还将蒽环及铜离子同时引入具有限域空腔的大环穴醚分子笼中，光照条件下，蒽环激发态电子在分子笼限域空腔中被紧邻的二价铜离子快速捕获，随后蒽环基团中的空穴将水氧化为氧气。而孤立的蒽有机配体不具备氧化水的能力，证明分子笼限域空间是赋予蒽环水氧化能力的关键，该研究开拓了有机配体作为水氧化催化剂的新体系。

我们进一步将不稳定的钙钛矿量子点引入卟啉金属有机框架材料的笼状限域空腔内，利用金属有机框架的保护作用稳定了量子点。同时，由于量子点与卟啉催化活性中心在笼状限域空间内能够紧密接触，提高了量子点光生电子的传输效率，实现了用水做还原剂将二氧化碳高效光催化还原为甲烷和一氧化碳，并获得到目前为止最高的甲烷和一氧化碳产量，被多位同行专家在综述文章中详细介绍。