Wiley人物访谈——清华大学王定胜教授

万般皆下品,惟有读书高。性格内向的王定胜老师的最大爱好就是科学研究。王老师将他的全部精力都投入到了他热爱的纳米材料研究和无机化学教学工作中,甚至在除夕和初一仍然在实验室坚持工作。正是源于对科学的热爱和坚持不懈的意志品质使得王老师成为单原子催化领域最有影响力的青年科学家之一。本期Wiley人物访谈让我们一起了解单原子催化的学术先锋王定胜老师和他的科研故事。

人物简介

王定胜,1982年出生。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位;2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究;2012年7月加入清华大学化学系,被聘为讲师;2012年12月晋升为副教授;2015年获博士生导师资格。

研究领域为无机纳米材料化学,自2009年博士毕业以来,一直以无机纳米合成化学为基础,主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。2018年入选青年拔尖人才支持计划。发表学术论文100余篇,含1篇Nature Chem.、1篇Nature Nanotech.、2篇Nature Catal.、12篇Nature Commun.、14篇J. Am. Chem. Soc.、18篇Angew. Chem. Int. Ed.、13篇Adv. Mater.等。

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作?

WDS课题组目前的主要研究工作围绕原子尺度下金属催化剂的结构调控与催化反应展开。纳米、团簇、单原子不同尺度的金属催化剂作为一类重要的可供人们认识多相催化与均相催化的催化材料,其结构与催化性能的相关性备受关注;揭示其催化本质、认识其规律性是化学化工科学技术中令人期待的重大问题。理解多相催化反应过程中催化剂的活性位点、活性中心,认清影响催化性能关键结构因素,借助纳米科技所取得的最新成果应用于催化基础与应用研究以提高其活性、选择性和稳定性,以及发现并合成出具有自然界中常温、常压、高效、专一选择性的生物酶催化材料,将是时代对化学工作者提出的最富挑战性的问题。我们基于先进的合成技术和表征手段,试图从纳米晶、团簇、单原子不同尺度展开对于催化过程的认识。我们发展了系列合成方法学,实现了金属间化合物纳米晶、团簇、单原子材料的精准合成,借助于球差电镜、同步辐射等表征技术实现了其精细结构的认识,通过原子尺度下的结构调控和构效关系研究,深入认识和理解金属催化本质。

MVC:您最近的一项单原子催化剂(SAC)的工作发表在Advanced Materials上(Adv. Mater. 2020, 32, 2000896),催化剂产量高达克量级,与其他烧结配位聚合物制备SAC的方法相比,有何不同?能否简要剖析一下与铁纳米颗粒和铁卟啉催化剂相比,为什么SAC-Fe具有超高的催化活性和选择性?

WDS单原子催化剂是近年来发展的一种新型催化材料,其兼具均相催化和多相催化的特点,同时表现出不同于传统均相催化剂和多相催化剂的独特性能,因而备受关注。在单原子催化剂中,金属单原子直接锚定在载体上,因此其活性、负载量等特性都与载体有着密切的关系。而N元素在载体中又有着十分重要的作用:首先,中心金属原子往往需要和N原子配位锚定;其次,N元素的种类以及和中心金属的配位形式对中心金属的催化性能也有着重要的影响。另一方面,金属单原子往往需要在高温下与载体作用锚定,在高温下N元素却很容易因为挥发而流失,这使得可配位位点流失,从而导致了催化剂负载量难以提高。因此,在合成中选择一种氮含量高且在高温下相对稳定的物质作为载体前驱体,才能合成高负载量的单原子催化剂。二氰二胺作为一种常见的化合物引起了我们的注意。它具有极高的含氮量,同时也是常见催化剂载体g-C3N4的前驱体。然而二氰二胺在高温煅烧时,很容易团聚成微米级块体,而且其聚合成C3N4时会放出大量氨气,导致有效配位点大为降低。为此,我们开发出使用原位配位金属的双氰胺甲醛聚合物作为前驱体制备高载量单原子的方法。我们在实验中发现双氰胺与甲醛缩聚生成的双氰胺甲醛树脂是一种理想的合成高载量单原子催化剂载体的前驱体。首先,在双氰胺甲醛树脂中,大量伯胺缩聚成仲胺,因此氮元素高温稳定性得到了提升,又由于加入了一定的碳源,煅烧后催化剂的导电性也有了提升。其次,由于金属离子在煅烧前与双氰胺甲醛树脂配位充分,单原子位点也因此在煅烧后得到了保留,而其他没有配位金属的位点则通过高温进一步聚合得到了氮化碳载体。再次,由于在载体中使用的是二氰二胺甲醛树脂,其结构和普通g-C3N4相比存在很多缺陷,这也有利于单原子在载体表面锚定。因此,当我们煅烧原位配位了金属前驱体的双氰胺树脂时,就得到了具有极高负载量的金属单原子催化剂。使用这种方法可以克量级合成一系列高负载量的单原子催化剂(包含Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Pt, Ir等),一举克服了单原子催化剂负载量低和合成方法复杂的问题。催化性能方面,前面已经提到,单原子催化剂兼具均相催化和多相催化特点的同时往往表现出不同于传统均相催化剂和多相催化剂的独特性能。与多相催化剂铁纳米颗粒相比:铁纳米颗粒负载在载体上,只有颗粒表面的铁原子与反应物分子接触具备催化活性,同时有绝大部分铁原子位于催化剂内部完全体现不出催化活性;另一方面,颗粒上的铁原子虽然都是金属态,但是由于处在颗粒不同的位置而与载体的相互作用并不完全一样,因而不同铁原子对于反应物分子的吸附活化性能不完全一致,从而导致较差的催化选择性。而单原子铁催化剂的金属完全暴露,每一个铁原子都充分发挥催化活性,同时单原子铁吸附位点单一从而保证了较好的反应选择性。与均相催化剂铁卟啉相比:首先配位环境是不一样的,单原子铁往往具有更不饱和的配位结构,而这种结构也赋予了单原子铁极高的反应活性。另外,单原子铁是负载在氮化碳载体上,金属和载体之间的相互作用会对中心金属的电子结构有一定的调控效果,而铁卟啉是单个配位化合物,没有载体对它的影响,相当于只能孤军作战。最后,单原子铁极高的金属载量会造成单原子铁位点之间相隔很近,单原子铁与单原子铁之间的相互作用也会对中心铁的电子结构有一定的调控效果,而铁卟啉是均相催化剂,分子与分子之间往往相隔很远,无法起到相互协同的作用。我认为以上因素可能就是单原子铁具有区别于多相铁纳米颗粒和均相铁卟啉催化剂性能的原因。

MVC:前面提到了您在Wiley旗下的期刊上发表了多篇论文,哪篇论文最让您引以为傲?为什么?

WDS我个人比较喜欢今年发表在Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 3212 – 3221上的这篇论文:Atomic-Level Modulation of Electronic Density at Cobalt Single-Atom Sites Derived from Metal–Organic Frameworks: Enhanced Oxygen Reduction Performance. 我们利用理论计算的手段构建了不同原子配位构型的单原子Co活性中心,系统分析了它们的电荷分布情况以及ORR反应催化路径,并且建立了单原子Co电子密度分布与ORR催化性能的构效关系,从而优化出了单原子Co1-N3PS活性中心,P和S原子协同参与单原子Co的配位,打破了传统Co-N4配位中心的对称性,使Co原子的电子密度发生畸变,降低了Co原子的d带中心,从而实现了Co单原子的ORR反应活性和动力学的极大提升。根据这一理论预测结果,我们直接设计合成了具有Co1-N3PS活性中心的单原子Co催化剂(Co1-N3PS/HC),并通过电化学实验证实其在碱性和酸性介质中均的确具备明显优于大多数已报道的非贵金属ORR催化剂的优异性能。催化领域的终极目标之一是在充分认识催化剂的活性位点、活性中心,明确影响催化性能关键结构因素的基础上逐渐从传统的试错式寻找催化剂转变为针对性高效设计催化剂。单原子催化剂由于其明确的催化位点和灵活可调的配位结构为研究催化剂的构效关系提供了极为理想的体系。之所以喜欢这个工作是因为这里面已经初步具备了设计的思想。单原子催化剂的性能取决于其配位结构,理论上讲单原子的配位结构可以有无限种可能性,我这里虽然没有也无法做到穷举所有可能的结构,但是提供了一个很好的研究示例:通过构建单原子活性位点电子结构与催化性能的构效关系,直接设计合成目标催化剂。这项工作为在原子尺度下合理设计和优化催化剂提供了新的思路。

MVC:能分享一下您在中科大和清华大学的求学经历吗?

WDS: 中科大和清华都是我国的顶尖学府,我很庆幸在这两所高校都接受了教育。我在中科大读了四年本科,当时在科大出国读研究生是大多数人的选择,我当时也很犹豫,都已经准备了托福考试,但最终还是选择了到清华跟随李亚栋老师读研究生,现在回想起来十分庆幸当时的选择。在清华读完五年研究生后李老师建议继续留在清华做博士后研究以完成博士的后续课题并争取留在清华工作的机会。三年的博士后研究取得了重要进展并如愿留在了清华化学系工作。这两段求学经历造就了我的科研人生,让我同时具备了这两所学府的文化底蕴和精神力量。科大人勤奋,有一句流传很广的话是 “不怕死的上科大”,在周末和五一、十一等假期,科大的教室里跟平日里没啥两样。清华人实干,脚踏实地,埋头干活,这正是科研所需要的。我很骄傲我既是科大人也是清华人,她们的精神是我科研的法宝。

MVC:在您丰富的学术经历中对您影响较大的人是谁?

WDS:在我的学术经历中对我影响最大的人毫无疑问就是我的研究生导师李亚栋老师。李老师是我学术道路上的领路人,他本身的思想高度和对学术的追求精神让我无比敬仰。在我刚接触科研时,像每一个研究生新生一样,在研究过程中,遇到过选题、科研方向等种种困难,总是这里做一做,那里做一做,没有什么系统性和方向性,前两年都没有什么成果。但是李老师非常耐心,给我非常大的自由度和调整的空间,谆谆教导,让我慢慢领悟到了科研要领。勤勉专注执着思考坚守进取身心健康永不言弃,这些都是李老师平时教导我及其他研究生的关键词。其中排在第一位的就是“勤勉”。李老师常说“谁能够把勤奋当成习惯养成,谁就会成功。”这句话对我影响很大,正是这句话给了我无穷的信心,因为我没有办法做到比别人聪明,但是我完全可以做到比别人勤奋呀,这样的话我岂不是也有可能成功了?嘿嘿!

MVCSACs已经在化学催化、电催化和纳米酶等领域展现出优异的性质,请展望一下SACs未来的发展。

WDS前面已经提到,单原子催化剂结构既不同于均相有机配合物催化剂,也不同于多相纳米催化剂,因此有可能表现出传统纳米催化剂和均相催化剂所不具备的独特性能。近年来的研究已经表明单原子催化剂在电催化、光催化、热催化、有机催化、环境催化、酶催化等众多领域表现出诱人的应用前景。单原子除了其特异的性能外,我认为另一个优势是单原子催化剂由于其明确的催化位点和灵活可调的配位结构为研究催化剂的构效关系提供了极为理想的体系。所以我觉得单原子催化剂未来的发展在两个方面:一是基础科学方面,我们可以借助单原子体系深刻理解多相催化反应过程中催化剂的活性位点、活性中心,通过对单原子催化剂结构的精细调控认识结构与催化性能的关联,最终实现催化剂的理性设计;二是工程应用方面,单原子催化剂的优势和重要性必须最终在工业应用上得到体现,因此实现单原子催化剂的工业化应用,用新型的单原子催化剂革新传统的催化体系是未来的目标。

MVC:您主讲《化学原理》深受清华的同学们的喜爱,每学期课程结束您都要与同学们合影留念,您认为怎样才能成为一名优秀的大学老师?

WDS: 我还够不上“优秀”,我只是比较喜欢上课和做研究,我正在努力学习向优秀靠拢。我教的是大一新生,看到他们就马上回想到了当年刚上大学的自己,我很想跟他们交流,把自己的一点儿经验和当年所走的弯路都告诉他们,这样他们就可以高效充实的过好四年本科生活。教学是一个互相启发互相促进的过程,我会引导他们去思考一些问题,反过来他们提的一些问题又会促使我去进一步的思考。教学一定不是居高临下的传授知识,而是相互平等亦师亦友的在一起探讨学习。我会将化学领域最新前沿进展融入到日常教学中,激发他们的科研兴趣和热情,因为我内心希望他们能坚持科研这条路,但同时我又尊重他们的兴趣和选择。总之吧,用心投入,做好自己。

MVC:您在选择研究生的时候有什么标准?对有志从事科学研究的同学们有什么建议?

WDS做科研,勤奋应该是首位的。要想在科学研究上做出成果,聪明并非第一位,每一个在学术领域有所建树的大科学家必然付出了常人难以想象的艰辛努力。因此,我选择研究生的标准就是勤奋。对有志从事科学研究的同学们的建议也是“勤奋”二字。经常有学生问我这样的问题:“为什么我发不出文章?”“为什么我毕业后找不到教职?”我一般是这样回应的:“等你做到每天来实验室比我更早、每天离开实验室比我更晚的时候你再来问我为什么”。我们实验楼的门卫应该对我印象深刻,因为年三十和大年初一还来实验室的全楼大概就我一人吧。

MVC:科研工作之余,您如何平衡生活和工作?您最大的爱好是什么?

WDS我的性格比较内向,最大的爱好就是静静的做着科学研究,平时生活上的兴趣爱好也比较少,我不知道这样是好还是不好,但是我乐在其中吧,每当做出来一点点小小的工作时,还是蛮开心的。