專(zhuān)注攻克MOFs材料宏量生產(chǎn)難關(guān) 探尋環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展未來(lái)
——訪(fǎng)北京建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王崇臣教授
2021年聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布了一份關(guān)于地球健康狀況的報(bào)告——《人與自然和平相處》，報(bào)告指出當(dāng)前地球整面臨著氣候變化、生物多樣性喪失及污染三大危機(jī)，人類(lèi)的知識(shí)、獨(dú)創(chuàng)性、技術(shù)和合作迫切需要從改造自然轉(zhuǎn)向改造人類(lèi)與自然的關(guān)系，只有學(xué)會(huì)與自然和平相處，才能夠給當(dāng)代青年和子孫后代一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。
恰逢第53個(gè)世界地球日，化工儀器網(wǎng)將目標(biāo)聚焦于一直致力于為環(huán)境保護(hù)提供解決方案、積極參與環(huán)保活動(dòng)的廠商與個(gè)人，看他們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)不懈的努力，為我國(guó)的環(huán)境保護(hù)鉆研新技術(shù)、開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。
此次訪(fǎng)談化工儀器網(wǎng)特別采訪(fǎng)了北京建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王崇臣教授。采訪(fǎng)中，王崇臣教授向我們講述了他在新型環(huán)境功能材料方面的研究及成果，并分析了當(dāng)前中國(guó)新型功能材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。
水污染制約生產(chǎn)生活 MOFs材料環(huán)境修復(fù)潛力巨大前景向好
水是生命之源，是人類(lèi)賴(lài)以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著工業(yè)化和和城市化進(jìn)程加速，水污染形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，特別是近年來(lái)各種新污染物的出現(xiàn)，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響，嚴(yán)重威脅著人們的身體健康。
面對(duì)著水資源的日益短缺，研究人員開(kāi)始逐漸將視線(xiàn)轉(zhuǎn)向了水環(huán)境的修復(fù)上，并開(kāi)發(fā)出了膜技術(shù)、Fenton及類(lèi)Fenton氧化法、光化學(xué)催化氧化等技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域。在這樣的背景下，可用于多種技術(shù)并能夠有效檢測(cè)并去除水中污染物的金屬-有機(jī)骨架材料(MOFs)脫穎而出，成為近年來(lái)水處理應(yīng)用研究的“寵兒”。
“之所以二十多年來(lái)一直堅(jiān)持做MOFs方面的工作并樂(lè)此不疲，是因?yàn)槲覐囊婚_(kāi)始就覺(jué)得MOFs在環(huán)境修復(fù)尤其是水污染控制方面具有非常好的應(yīng)用前景。”自碩博時(shí)期，王崇臣教授就開(kāi)始了MOFs方面的研究，近些年一直致力于將MOFs基環(huán)境功能材料用于水污染物控制。
金屬-有機(jī)骨架材料(MOFs)是一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料，也被稱(chēng)為多孔配位聚合物，具有多樣的結(jié)構(gòu)、超大的比表面積、可控的孔徑和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、豐富的活性位點(diǎn)。MOFs易于培養(yǎng)單晶，可表征其精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，有助于研究其性能與結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系。同時(shí)，MOFs的模板特性使其具有可設(shè)計(jì)性，并可從分子層面對(duì)其進(jìn)行調(diào)控從而提高其性能。
在實(shí)際工作中，王崇臣教授及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了MOFs 用于熒光傳感檢測(cè)水中污染物、吸附去除水中有機(jī)污染物/重金屬、高級(jí)氧化(光催化、類(lèi)Fenton、活化硫酸根自由基等)去除水體污染物及殺菌除藻等方面的基礎(chǔ)研究工作，并形成了富有特色的研究方向。
將理論落到實(shí)處 攻克MOFs材料低成本宏量生產(chǎn)的技術(shù)難關(guān)
MOFs作為新型環(huán)境功能材料應(yīng)用于污水控制得到了諸多研究人員的青睞，但MOFs在具體應(yīng)用中一直面臨著材料單次產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高等瓶頸問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，王崇臣教授及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了長(zhǎng)期研究并取得了一定成果，攻克了多種MOFs材料低成本宏量生產(chǎn)的技術(shù)難關(guān)。
王崇臣教授不僅設(shè)計(jì)合成出了具有超大吸附量的MOFs材料，還充分利用MOFs組件的光學(xué)性能，開(kāi)發(fā)出了具有光控吸脫附性能的MOFs材料及其復(fù)合物。
“這種MOFs材料只要用光照(太陽(yáng)光)就能實(shí)現(xiàn)吸附劑的脫附再生和重復(fù)利用，是一種節(jié)能環(huán)保的綠色智能吸附劑。”
另外，王崇臣教授還將微納米MOFs材料負(fù)載或固定于天然棉纖維、聚丙烯樹(shù)脂棉、聚氨酯海綿、商業(yè)化濾料、陶瓷膜等基質(zhì)上，將其用于組裝連續(xù)運(yùn)行裝置，進(jìn)行高級(jí)氧化去除水體中的有機(jī)污染物或光催化還原水體中的高價(jià)有毒金屬(如六價(jià)鉻)。
到目前為止，王崇臣教授及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表了100多篇高水平研究論文，并得到了同行的廣泛關(guān)注，單篇論文引用最高達(dá)到1200多次，另有多篇論文被認(rèn)定為基本數(shù)據(jù)庫(kù)熱點(diǎn)論文(排名前0.1%)和高被引論文(排名前1%)。王崇臣教授也因此入選了斯坦福大學(xué)世界排名前2%科學(xué)家綜合排行榜/單年榜(2020年和2021年)及全球頂尖前10萬(wàn)名科學(xué)家排名榜單。
蓬勃發(fā)展局勢(shì)下 我國(guó)環(huán)境功能材料研發(fā)應(yīng)遵循四大方向
從目前研究狀況看，近年來(lái)我國(guó)環(huán)境功能材料相關(guān)論文的發(fā)表量不斷增加，已經(jīng)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期。但相當(dāng)數(shù)量的研究仍集中在國(guó)際熱點(diǎn)上，以實(shí)驗(yàn)室層面的材料研發(fā)與污染物理論研究為主，針對(duì)復(fù)雜和實(shí)際環(huán)境介質(zhì)中的材料應(yīng)用研究較為薄弱，處于跟跑狀態(tài)。
雖然部分研究正在從理論研究向著應(yīng)用推廣過(guò)渡，且有些成果已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，但我國(guó)在高端材料、關(guān)鍵材料、原創(chuàng)性材料的研發(fā)規(guī)模和整體質(zhì)量上仍較為落后。此外，目前國(guó)內(nèi)環(huán)境功能材料的研究對(duì)其與生態(tài)和人體健康的關(guān)系重視不夠，尚未完全建立可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)體系。
針對(duì)我國(guó)環(huán)境功能材料現(xiàn)階段研究中存在的問(wèn)題，王崇臣教授用“前瞻性”“戰(zhàn)略性”“全局性”“系統(tǒng)性”四個(gè)特點(diǎn)，概括了我國(guó)環(huán)境功能材料研發(fā)的努力方向。
“前瞻性”，即指加大基礎(chǔ)研究力度，夯實(shí)基本科學(xué)問(wèn)題、基本研究理論；“戰(zhàn)略性”，即基于實(shí)際需求集成環(huán)境功能材料研究的現(xiàn)有成果，在考慮我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，逐步建立環(huán)境功能材料學(xué)科體系；“全局性”，即關(guān)注環(huán)境功能材料本身對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康的影響，不僅研究其性能和功能，還要站在全生命周期的角度對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。環(huán)境功能材料在環(huán)境中的行為、安全性、次生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、生物毒性效應(yīng)都應(yīng)納入考量范圍，從而建立環(huán)境功能材料毒理學(xué)和生態(tài)毒性的評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)；“系統(tǒng)性”，即加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和工程應(yīng)用的“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同發(fā)展，避免出現(xiàn)研究和應(yīng)用“兩張皮”的問(wèn)題。
近幾年，我國(guó)將水污染的防治提升到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度，科學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)體系作為生態(tài)環(huán)境治理體系的重要組成部分，是生態(tài)環(huán)境治理的基礎(chǔ)布局。上述的四大方向不僅僅是針對(duì)環(huán)境功能材料研發(fā)短板提出的解決方案，更是建立科學(xué)水環(huán)境技術(shù)研發(fā)系統(tǒng)的“指揮棒”。
守住“綠水” 為了這一代和將來(lái)世世代代保護(hù)和改善環(huán)境
人類(lèi)既是環(huán)境的創(chuàng)造物，又是環(huán)境的塑造者，良好的生態(tài)環(huán)境對(duì)人類(lèi)生存和發(fā)展至關(guān)重要。面對(duì)著越來(lái)越嚴(yán)峻的環(huán)境形勢(shì)，聯(lián)合國(guó)《人類(lèi)環(huán)境宣言》更是提出了“為了這一代和將來(lái)世世代代保護(hù)和改善環(huán)境”的口號(hào)。
基于當(dāng)前環(huán)保工作的實(shí)際需求，王崇臣教授認(rèn)為環(huán)境功能材料的發(fā)展應(yīng)重視環(huán)境污染治理問(wèn)題及資源-環(huán)境的協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)高性能環(huán)境功能材料的定向開(kāi)發(fā)和精準(zhǔn)調(diào)控。同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)與新型環(huán)境功能材料配套使用的新型裝置和設(shè)備以及與其對(duì)應(yīng)的新工藝。
“當(dāng)前，相當(dāng)數(shù)量的新型環(huán)境功能材料雖然性能很好，但是制備工藝復(fù)雜、單次產(chǎn)量低導(dǎo)致成本高昂，極大地限制了其實(shí)用性。在環(huán)境功能材料研發(fā)領(lǐng)域，我最期待的是低成本、宏量生產(chǎn)材料的新技術(shù)可以不斷涌現(xiàn)。”
17年前，我國(guó)提出了“綠水青山就是金銀山”的科學(xué)論斷。這些年來(lái)，以王崇臣教授為代表的科研工作者們步步為營(yíng)，一直在為了守住這片“綠水”努力著。
“我相信，會(huì)有越來(lái)越多的同行致力于環(huán)境功能材料的宏量生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)，讓這些新材料在實(shí)際環(huán)境保護(hù)和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮其卓越性能，為國(guó)家、人民甚至全人類(lèi)造福！”
人物簡(jiǎn)介
王崇臣教授
王崇臣，男，1974年，漢族，山東臨沂人。北京建筑大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，擔(dān)任建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。入選北京市百千萬(wàn)人才、北京市高創(chuàng)計(jì)劃百千萬(wàn)領(lǐng)軍人才和長(zhǎng)城學(xué)者。獲得北京市高等學(xué)校青年教學(xué)名師獎(jiǎng)。
任Environmental Functional Materials、Chinese Chemical Letter、工業(yè)水處理、環(huán)境化學(xué)等期刊副主編及編委。中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)/理事、中國(guó)化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)水處理與回用專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)感光學(xué)會(huì)光催化委員會(huì)委員、中國(guó)計(jì)量學(xué)會(huì)室內(nèi)環(huán)境和材料測(cè)試分會(huì)委員、北京化學(xué)會(huì)青少年科普委員會(huì)副主任、北京環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)科技創(chuàng)新分會(huì)副主任委員等。
主要研究領(lǐng)域?yàn)樾滦铜h(huán)境功能材料、水文化。在新型環(huán)境功能材料方面，以金屬-有機(jī)骨架(MOFs)材料為主開(kāi)展水污染控制方面的研究工作。在MOFs低成本宏量生產(chǎn)、傳感檢測(cè)污染物、吸附去除污染物、高級(jí)氧化/還原污染物等方面主持國(guó)家自然科學(xué)基金、北京自然科學(xué)基金等縱向項(xiàng)目10余項(xiàng)。發(fā)表代表性論文100余篇，其中多篇ESI高被引論文和熱點(diǎn)論文。在水文化方面，承擔(dān)了北京社科基金重點(diǎn)項(xiàng)目，系統(tǒng)研究了北京地區(qū)的水文化遺產(chǎn)及其水文化，舉辦系列北京水文化遺產(chǎn)展覽，相關(guān)事跡得到了北京廣播電視臺(tái)、北京晚報(bào)等主流媒體的宣傳報(bào)道。提出中軸線(xiàn)保護(hù)與發(fā)展應(yīng)關(guān)注水文化與水文化遺產(chǎn)，獻(xiàn)言建策得到了北京市主要領(lǐng)導(dǎo)的批示。
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