WILEY人物访谈——中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员

本周WILEY人物访谈我们对话的是中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员。访谈中张老师介绍了课题组致力于发展新型催化剂在清洁能源领域的研究工作,并重点介绍了最新在为庆祝《先进能源材料》出版十周年而特别撰写的对固氮领域的展望论文。最后张老师谈到在实验室之外的集邮爱好帮助他建立了一种更有条理的工作方式并增强了毅力。ASN英文访谈请点击原文链接,以下为翻译稿。

张铁锐研究员在黑龙江省长大,在吉林大学学习化学专业。在德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所、加拿大艾伯塔大学、美国阿肯色大学、美国加州大学河滨分校等研究机构任职。正是在这段时间里,他认识到协作工作以及质疑和追求科学发现的重要性。自2009年加入中国科学院理化技术研究所以来,他一直致力于发现新型高效的光催化剂以及设计用于各种下一代利用存储和转换技术的高效耐用的电催化剂。包括水分解、CO2还原、固氮、燃料电池和可充电金属空气电池等方面。

谁是鼓励您进入充满挑战的科研领域的榜样?

我攻读博士学位和从事博士后研究期间,受到张希教授(清华大学),俞书宏教授(中国科学技术大学),Markus Antonietti教授(德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所)和Yadong Yin教授(美国加州大学河滨分校)等影响。他们从事实中寻求真理的严谨态度一直激励着我不断探索。他们使我意识到我们应该尊重他人的工作,相互支持和宽容,但是当我们有疑问时,我们应该毫不犹豫地提出来。这种讨论和辩论帮助我保持了科学思维,并成为我继续研究生涯的动力。

您会为年轻的科研人员提供什么建议?

我会鼓励年轻的研究人员努力工作,但不要盲目。科学研究既是智力工作,也是体力工作,但归根结底是智力工作。首先,科学研究是创造知识的过程,这需要个人主动摆脱被动教育的束缚。另外,我建议清楚地掌握相关领域的学术前沿。不应犯过早得出结论或不加思考就做实验的错误。此外,应多注意培养逻辑,生动和有趣的学术交流能力注意实验的细节,养成记录的习惯。记录的详细信息越多,重复试验和获得意想不到的创新的机会就越多。

是什么让您对您的工作感到兴奋?

当我们的实验结果未能达到期望或与预期结果相反时,我会因此深入思考,分析这些新的实验现象,并质疑先前的研究理论是否完美。我认为科学研究是探索未知事物的过程。能够通过我们的一些新发现为减轻能源负担或环境问题做出实际贡献,这非常令人兴奋。

能向我们介绍下您最近发表的论文《迈向低温,低压催化固氮之旅》 The Journey toward Low Temperature, Low Pressure Catalytic Nitrogen Fixation  DOI10.1002/aenm.202000659)

与已有100多年历史的工业氨合成相比,低温低压下新型固氮策略的研究才刚刚开始。我认为这将是在大规模生产日用化学品中使用清洁能源的最重要方向之一,从而进一步促进新型太阳能驱动催化反应在燃料和增值化学品生产中的应用。与热催化相比,光催化在处理复杂反应、减少化石燃料消耗和减少碳排放方面起着重要作用。

如今,随着大量和快速消耗化石燃料,人类正面临与能源消耗和环境有关的各种问题,例如温室气体效应。人们越来越重视利用可持续供应来发展清洁能源。其中,制备光催化太阳能燃料和增值化学品的被认为是解决全球能源和环境问题的最有前景的方向,包括水分解产氢、碳氢化合物、合成氨等。

您认为自己的工作对该领域有哪些贡献?您期望将来能留下什么代表作?

通过合理设计光催化材料,我们致力于解决全球能源和环境问题。我认为最有影响力的工作是系统地应用了高效非贵金属的光催化剂,特别是水滑石类插层材料,用于一系列重要反应,包括COx加氢以生产长链烷烃/轻质烯烃和固氮合成氨。我希望的代表作是发现可见光和近红外光在光热协同催化中的独特作用,激发态动力学的电子和能量转移过程以及在多缺陷水滑石类插层纳米材料的表面反应机理。

您最想看到什么未来的发现?

满足工业化要求的高效,非贵金属的光催化剂的开发将成为现实。经过几十年的发展,尽管光催化太阳能和增值化学品的发电效率已经提高了一个数量级,但仍不能满足商业需求。原因在于光催化剂的效率低下,通常需要电子促进剂或贵金属的协助。因此,不断开发新型的非贵金属光催化剂以实现更高效,更稳定的太阳能转化为能量,仍然是光催化技术实际应用中的关键挑战之一。

您对该领域最感兴趣的方向是什么?

光催化,电催化和热催化之间的交叉领域:太阳能电池电催化系统和光热协同系统已成为热门话题,许多开拓性的成果正在等待发现。为了利用整个太阳光谱,应仔细考虑可见光和近红外光照射下的光热效应。目的是对诸如催化过程中的光和热的特定贡献,光热催化,光催化和热催化之间的关系等问题有根本性的科学答案。

对化学反应动力学的进一步理解: 通过大数据、数学建模、人工智能和其他计算机方法,实验方案、数据和理论可以高度相关。对于涉及多步反应和多种产物的许多光催化过程,深入了解中间体的反应途径将有助于催化剂的可控设计和对目标产物的高选择性。这取决于光催化领域中密度泛函理论的进一步发展,以及原位光谱和电子显微镜等表征技术的突破。

您未来的计划是什么?

随着氢在能源和环境领域的重要性日益提高,近年来中国一直在推动氢能的发展。我课题组将继续基于二维纳米材料的光催化系统,着重于氢的有效制备和利用。氢的有效制备包括水分解、甲醇和甲烷重构。氢气的利用包括CO2还原,合成氨以及费托合成。

在实验室之外您有什么兴趣?

我是集邮爱好者,尤其喜欢收集和化学相关的邮票。收集邮票可以帮助我拓宽视野,了解更多历史知识和知识。这种爱好帮助我建立了一种更有条理的工作方式,并增强了我的毅力。工作已经成为我生活的重要组成部分。因此,这种爱好也是我生活的平衡,这与我的专业研究相吻合。我七岁开始收集邮票,当时我的收藏只专注于中国邮票。当我进入大学攻读博士学位后,我将收藏的重心转向了化学。

我的收藏包括与化学有关的邮票,例如化学家,化学符号和化学事件。在我的收藏中,我最喜欢的是为了苏联在1934年发行纪念德米特里·门捷列夫的一套邮票,这是世界上第一张门捷列夫邮票。我目前正在寻找另一套土耳其在1935年发行的纪念居里夫人的稀有邮票。门捷列夫和居里夫人都是我的偶像。

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翻译:南风

校译:施璐