WILEY人物访谈——华南师范大学兰亚乾教授

我国是钨、钼、钒、铌、钽元素的丰产大国,储量位居世界前列,优越的自然资源条件赋予我国的科研工作者高效利用前过渡金属元素的历史使命。在前过渡金属氧簇的研究领域,兰亚乾教授是最有建树的年轻学者之一,从基于多酸的金属有机框架材料出发,兰教授近年来也拓展了共价有机框架的研究方向。本期MVC访谈邀请华南师范大学兰亚乾教授为读者就他近期的科研工作进行抽丝剥茧式的解读,并分享他的个人成长经历。

人物简介

兰亚乾, 华南师范大学教授、博士生导师,教育部工程研究中心主任,英国皇家化学会会士。2009年获得东北师范大学物理化学博士学位,2010-2012年日本学术振兴会(JSPS)博士后,日本产业技术综合研究所(AIST)关西中心外国人特别研究员。独立工作后获第四批国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、教育部青年长江学者奖励计划、国家优秀青年科学基金、江苏省“双创团队”领军人才、江苏省杰出青年基金等人才称号。曾获中国光化学-泊菲莱优秀青年科学家奖、吉林省自然科学奖等奖励。现担任中国化学快报(CCL)副主编,Natl. Sci. Rev.学科编辑组成员,Inorganic ChemistryEnergyChemScientific Reports、结构化学等期刊编委和顾问编委。主要从事配位化学研究,致力于晶态材料在能源领域的应用探索。近五年来以通讯作者在Nat. Commun. (5)J. Am. Chem. Soc. (9)Angew. Chem. Int. Ed. (16)Adv. Mater. (2)Matter (2)Chem (2)Natl. Sci. Rev. (2)JACS Au (2)等期刊上发表通讯作者论文170余篇。论文被他引17000多次, ESI高引论文24篇,个人H-index 70,2020、2021年度科睿唯安“高被引科学家”(化学)。

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作?

兰亚乾(LYQ)我们课题组目前的主要研究工作集中于配位/共价键键连的晶态材料(比如金属团簇、MOF、COF等)的结构合成与功能应用开发。首先,根据性能需求设计并构筑新的化合物一直以来都是我们的兴趣所在;其次,针对不同化合物结构,我们通过合成化学手段对其进行功能化修饰与改性;最后,将具有不同功能特性的晶态及其衍生物材料(直接/加工成型/器件化)用于光电催化、质子交换膜、电池相关材料和器件等潜在应用领域。

MVC:前面提到您课题组近年来在COF材料取得了丰硕的成果,我们注意到您在Angewandte Chemie International EditionAngew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6500)上发表了基于COF的半导体异质结纳米催化剂用于人工光合成全反应,能简单介绍一下这类复合材料的设计思路吗?

LYQ在人工光合成领域,实现可见光驱动下以水作为牺牲剂将CO2光还原为有机物,是人工光合成反应是最具有挑战性的光催化反应之一。因此,设计和合成高效的光催化剂以实现该反应是至关重要的。晶态COF材料由于具有比表面积大、官能团活性位点可调的特点,尤其对于二维COF结构中光敏基团的引入可以增强光吸收能力,因此可以作为光敏剂和CO2还原的催化剂,但是其氧化能力较弱,难以完成水氧化部分。我们知道一些半导体氧化物由于价带较低,在光激发后具有强氧化性,如TiO2,α-Fe2O3等已被报道具有光催化水氧化能力。将光敏性COF与以上半导体结合起来可能完成人工光合成全反应。基于以上想法,我们设计合成了一系列以共价键连接的晶态COFs-无机半导体异质结材料实现了固气条件下CO2还原。这些复合材料可以实现以水作为电子供体进行高效的CO2光还原反应,并且无需额外添加光敏剂和牺牲剂。在可见光驱动下,这种Z-Scheme异质结催化剂实现了光激发下COF与氧化物半导体间的高效电子-空穴分离和转移并且通过共价键有效地将发生在COF上的CO2还原与氧化物半导体上的水氧化反应串联起来。这是首次以稳定共价键连接的COF-半导体异质结用于人工光合成反应。

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

LYQ首先非常感谢Wiley期刊提供重要的平台来发表我们课题组的研究工作。我们课题组分别在多酸合成化学以及人工光合成全反应领域发表了重要代表性工作。一篇是我们首次利用Ti元素组装了经典的杂原子Keggin及其三缺位结构(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 17260-17264.)。过去100年来,杂原子Keggin及其衍生物结构仅限于通过Mo、W、V、Nb金属元素来合成。这一工作不仅拓展了经典的杂原子Keggin结构体系,而且也为杂原子Keggin结构以及钛氧簇化学的功能应用拓展提供了新的研究方向和重要启发。另外一篇是我们将具有光催化氧化活性的有机单体与具有还原活性的金属卟啉通过共价键偶联,首次设计合成了一系列以四硫富瓦烯-卟啉为结构基元的晶态COFs材料 (TTCOFs) 用于在纯水中完成CO2光还原反应,即实现人工光合成反应。这一工作为设计合成高效晶态催化剂用于人工光合成反应提供了重要的例证研究和启示。

MVC:在您的学术经历中对您影响较大的人是谁(们)?

LYQ我的学术经历比较特殊,我从大四期间就在东北师范大学苏忠民教授的课题组从事高吸水性性树脂的研发和应用推广工作。本科毕业后留在东北师大工作三年后才攻读研究生。在这三年期间,在苏老师的教导下,不但学习和了解了科研成果如何从实验室经过小试、中试再到成为真正的产品,而且对纵向课题的申请、执行和结题及成果转让、企业合作都有所了解。硕博连读期间在东北师大得到了非常好的实验合成及结构表征的训练。自己成功合成的新单晶结构超过了几百个,虽然大部分最后都没有发表,但积累了大量的合成晶态材料的信心和经验。在日本从事日本学术振兴会(JSPS)博士后研究工作,我的合作导师是徐强教授。徐老师有很多创新性的研究工作,对材料功能化的应用探索尤为重视,这也正是我之前所欠缺的。在日本的经历开阔了我的视野,对我建立独立课题组后研究方向的选取和课题的转型都要重要的影响。另外在求学和工作期间,也从身边优秀的同学、同事身上学习了很多。特别是独立工作后和领域内的很多前辈有幸合作,共同发表研究论文,对我科研的起步阶段起到至关重要作用。

MVC:您在多酸化学领域耕耘多年,在多酸合成、多酸催化和多酸能源材料方向都有很深的造诣,请展望一下多酸化学未来的研究重点和发展方向?

LYQ多酸化学的研究至今已经超过100多年,这一领域的前辈科学家做出了很多优异的研究成果。多酸化学一直是我们课题组的主要研究方向。独立成立课题组以后我们一直在努力探索多酸基材料的合成及其在能源领域的应用。新物质和新结构的合成永远都是化学的主题。多酸化学也同样,根据性能需要合成多酸的新种类和新结构仍然是多酸化学的研究重点;多酸在催化领域已经有产业化应用,多酸催化剂研制是多酸化学的血脉,智能型多酸催化剂的设计合成是未来多酸催化的重要研究方向;最后就是要坚持功能拓展多样化和应用领域多样化,这样才能让多酸化学这一经典的课题和方向焕发新的生机。

MVC:您最近履新华南师范大学,您对未来在新单位的科研工作有什么布局?

LYQ目前我们在华南师范大学的研究团队已经组建完成,实验室已经全部投入使用。未来我们研究工作集中于二氧化碳的捕集和转化。设计合成新的晶态材料(比如金属团簇、MOF、COF等),通过光、电及热催化等方法将CO2转化为燃料、精细化工品等,尤其是注重多重反应之间的串联和耦合,进而提高CO2转化和利用效率。为我国早日实现“碳中和”贡献一份力量。

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?

LYQ虽然我工作的单位一直不是国内的一流高校,但我一直觉得我的学生都挺不错的,我也很少批评学生。我经常给他们鼓励和信心,要做国内一流的课题组。当然我对研究生的选择也非常重视,每年招生季也会通过各种方法到潜在生源的高校动员,尤其是期望能有保送资格的学生加入我们的课题组。我自己认为有目标、肯努力的学生就是不错的学生了,如果能有好的执行力就是非常优秀的学生。至于创新能力等是需要长时间积累和训练才能体现出来的。如果有志将来从事科学研究,在你迷茫的时候,最好的方法就是多做实验。化学是一门实验科学,任何的苦都不会白吃。

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?

LYQ: 现在国内的竞争激烈,内卷严重,我相信大多数想有所建树的青年学者压力都很大,几乎每天可利用的时间都在从事科学研究。好在我的爱人是同行,对我给予了很大的支持和理解,我也每周争取多和家人一起吃几次晚饭,陪女儿聊聊她感兴趣的事。空闲的时间我喜欢看励志类的网络小说,一方面是可以放松心情,更重要的是可以调整心态,微笑面对生活。