WILEY人物访谈——武汉理工大学曹少文教授

本周的人物访谈,我们介绍一位优秀的年轻科学家——曹少文教授。曹教授长期从事能源光催化领域的研究,取得了许多不错的科研成果。访谈字里行间里可以感受到曹教授对科研真挚的热爱,面对科研压力也能保持乐观豁达的心态。让我们跟随曹教授研究的心路历程,感受半导体光催化材料的魅力。

曹少文,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研究员、博士生导师。本科毕业于中国科学技术大学(2005),博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所(2010),新加坡南洋理工大学博士后,德国马普胶体与界面研究所访问学者。研究方向为能源光催化材料。2019年获国家优秀青年科学基金资助,2018-2020年入选科睿唯安“全球高被引研究人员”名单。已在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Joule, Chem. Soc. Rev., Chinese J. Catal.等国内外高质量学术期刊上发表论文100余篇(高被引论文19篇),被引用12000余次,H因子为58。担任《InfoMat》、《催化学报》和《中国科学· 材料》青年编委。

溯本寻真

MVC:能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作?   

CSW:我们课题组的工作主要是对半导体光催化材料进行微结构调控和界面调控,探索其在太阳能光催化制备太阳燃料等方面的应用,并研究电荷转移机制和光催化机理,以期促进太阳能转化为化学能的实际应用。

MVC: 针对典型二维光催化材料氮化碳所存在的问题,您课题组在提高氮化碳性能方面采取哪些策略? 

CSW:传统高温煅烧制备的氮化碳光催化剂主要有两个问题,一是结晶性差,二是层间作用力弱,从而导致电荷转移效率低。针对这两个问题,我们的策略首先是大幅提高其结晶性能,以提升其电荷体相转移效率。另一方面,利用氮化碳自身大量含孤对电子的N原子的配位作用,将金属单原子锚定在氮化碳层间,建立一个电荷定向传输到表面的垂直通道,提升其层间电荷转移效率。

MVC: 提高氮化碳结晶性能可以有效提高氮化碳性能,那现在是否有较低成本提高氮化碳结晶性能的方式

CSW:目前我们主要通过两种方式来提高氮化碳性能,一种是高温熔盐法,以低熔点盐作为反应介质,氮化碳在高温熔融状态下发生“溶解—重结晶”的过程,获得高结晶度。一种是极性溶剂溶剂热法,利用极性溶剂加速单体的聚合过程,获得高结晶度。这两种方法工艺都比较简单,原材料成本较低,且非常有效。

MVC: 目前光催化剂广泛存在效率低、吸收光非广谱的问题,您课题组在这方面有什么样的研究,能否给我们介绍一下? 

CSW:这确实是领域内比较广泛的问题。在这方面我们主要是通过构建具有强界面相互作用的异质结材料,来提高光催化效率。首先我们选择两种具有良好光吸收能力、能带结构相互错位的半导体光催化剂,对它们进行微结构调控,获得超小尺寸的单一光催化剂(如量子点零维材料、单层/少层的二维材料),以大幅减小电荷体相传输距离。进一步通过强配位作用或原位生长等方法将两者复合,形成具有强界面相互作用的异质结材料。这种强界面相互作用能够获得强的界面内建电场,作为光生电荷界面转移的驱动力,显著提高光催化效率。

MVC: 通过静电吸附—原位生长的方法构建聚合物/量子点2D/0D体系,建立界面内建电场主导的电荷转移通道,增强光催化杀菌和制氢性能,那么这样的电荷通道杀菌的机理是什么? 

CSW:这样的电荷转移通道是基于强界面相互作用形成的,它能够非常明显地促进光生电荷的空间分离,并一方面在氧化型光催化剂价带位置留下具有强氧化能力的空穴,其进一步与水反应生成大量的羟基自由基;另一方面在还原型光催化剂导带位置留下具有强还原能力的电子,其进一步与氧气反应生成大量超氧自由基。羟基自由基和超氧自由基则作为杀菌的主要活性物种。

良师益友

MVC: 最初是什么让您投身到科研的工作中?作为一名科研工作者和导师,您最大的乐趣和成就感是什么?  

CSW:我是一名具有化学背景的材料科研工作者。我对化学的强烈兴趣最早源于我的高中班主任,他是一名化学老师。他生动的授课方式和人格魅力,激发了我对化学的兴趣。后来大学在中科大学习地球化学,研究生阶段在中科院上海硅酸盐研究所跟随导师从事纳米化学/纳米材料的学习和研究,开始接触到微米/纳米尺度的微观世界,每一次获得新奇的结构和性能,都很兴奋。应该说,兴趣使然,让我投身到了科研工作中。

在科研工作中,我们会先有一个想法和预期的结果,然后去具体实施实验。在实验过程中,往往会发现意想不到的新现象。这种探索未知世界过程中所发生的不确定性,是我最大的乐趣所在,简单来说,便是好奇心。而最大的成就感莫过于看到学生从刚入学时的懵懵懂懂,变成可以独当一面的先锋。他们有的在科研方面做得很好,有的在其他行业闪闪发光。时不时还能够收到他们的问候,便已知足。

MVC: 能否请您谈谈在科研工作中遇到的令您印象深刻的难题或困境,以及您最后是怎么解决的。

CSW:我们从事科研工作的,多任务工作是家常便饭,难免会在某个时候产生焦虑或厌倦的情绪,严重影响工作效率。这个时候,我通常会约上三五好友,打个双升或者掼个蛋,让脑袋休息一下,然后就焕发新生了。

育人铸剑

MVC: 能否请您分享一些您在提炼论文创新点方面的体会,以及您在撰写论文时的一些方法? 

CSW:和很多同行相比,这方面其实我还做得远远不够,只能说是自己的一点思路吧。和学生讨论论文时,我通常会强调一篇论文创新点不要太多,将一两个创新点讲透讲深,让大家都看明白了,论文就成功了。例如,我们做界面复合光催化材料时,我们通常关注的是界面电荷转移促进光催化反应。但其实界面这个地方有很多问题值得探讨,包括电子结构的变化、表面极性的变化、对分子的吸附脱附能力变化、对反应路径的影响等,这些往往是被忽略的研究落脚点,能够把其中一两个研究透,便是可能的创新点所在。

MVC: 可否请您分享一些您团队在研究生培养方面的宝贵经验? 

CSW:我也是一直在学习如何培养研究生。平时和学生会强调几个方面。一是待人接物要礼貌谦逊,心态平和。二是个人要有自信和主观能动性,敢想敢说,不要充当一个机械手。三是做事要认真仔细,任何一个细节都不能放过。四是要有团队精神,周围的人变好了,自己也能变好。每个学生的志向有差异,有的读完硕士阶段就出去工作了,有的想继续读博士。上面这几点是具有普适性的,我会不间断地给他们灌输这些思想,希望他们从事任何行业都能成功。当然,这几点既是对学生的期望,也是对我自己的要求。