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專注攻克MOFs材料宏量生產難關 探尋環境修復領域可持續發展未來

——訪北京建筑大學建筑結構與環境修復功能材料北京市重點實驗室主任王崇臣教授
2022年04月22日 08:36:33來源:化工儀器網作者:吳吳吳點擊:7212
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  2021年聯合國環境規劃署發布了一份關于地球健康狀況的報告——《人與自然和平相處》,報告指出當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,人類的知識、獨創性、技術和合作迫切需要從改造自然轉向改造人類與自然的關系,只有學會與自然和平相處,才能夠給當代青年和子孫后代一個可持續發展的未來。
 
  恰逢第53個世界地球日,化工儀器網將目標聚焦于一直致力于為環境保護提供解決方案、積極參與環?;顒拥膹S商與個人,看他們如何通過不懈的努力,為我國的環境保護鉆研新技術、開發新產品。
 
  此次訪談化工儀器網特別采訪了北京建筑大學建筑結構與環境修復功能材料北京市重點實驗室主任王崇臣教授。采訪中,王崇臣教授向我們講述了他在新型環境功能材料方面的研究及成果,并分析了當前中國新型功能材料的研究現狀和發展方向。
 
  水污染制約生產生活 MOFs材料環境修復潛力巨大前景向好
 
  水是生命之源,是人類賴以生存與發展的物質基礎。隨著工業化和和城市化進程加速,水污染形勢日趨嚴峻,特別是近年來各種新污染物的出現,對我國的經濟發展和人們的生產生活產生了較大的負面影響,嚴重威脅著人們的身體健康。
 
  面對著水資源的日益短缺,研究人員開始逐漸將視線轉向了水環境的修復上,并開發出了膜技術、Fenton及類Fenton氧化法、光化學催化氧化等技術應用于環境修復領域。在這樣的背景下,可用于多種技術并能夠有效檢測并去除水中污染物的金屬-有機骨架材料(MOFs)脫穎而出,成為近年來水處理應用研究的“寵兒”。
 
  “之所以二十多年來一直堅持做MOFs方面的工作并樂此不疲,是因為我從一開始就覺得MOFs在環境修復尤其是水污染控制方面具有非常好的應用前景。”自碩博時期,王崇臣教授就開始了MOFs方面的研究,近些年一直致力于將MOFs基環境功能材料用于水污染物控制。
 
  金屬-有機骨架材料(MOFs)是一種有機-無機雜化材料,也被稱為多孔配位聚合物,具有多樣的結構、超大的比表面積、可控的孔徑和拓撲結構、豐富的活性位點。MOFs易于培養單晶,可表征其精準結構,有助于研究其性能與結構之間的構效關系。同時,MOFs的模板特性使其具有可設計性,并可從分子層面對其進行調控從而提高其性能。
 
  在實際工作中,王崇臣教授及其團隊開展了MOFs 用于熒光傳感檢測水中污染物、吸附去除水中有機污染物/重金屬、高級氧化(光催化、類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研究工作,并形成了富有特色的研究方向。
 
  將理論落到實處 攻克MOFs材料低成本宏量生產的技術難關
 
  MOFs作為新型環境功能材料應用于污水控制得到了諸多研究人員的青睞,但MOFs在具體應用中一直面臨著材料單次產量低、生產成本高等瓶頸問題。為解決這些問題,王崇臣教授及其團隊開始了長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的技術難關。
 
  王崇臣教授不僅設計合成出了具有超大吸附量的MOFs材料,還充分利用MOFs組件的光學性能,開發出了具有光控吸脫附性能的MOFs材料及其復合物。
 
  “這種MOFs材料只要用光照(太陽光)就能實現吸附劑的脫附再生和重復利用,是一種節能環保的綠色智能吸附劑。
 
  另外,王崇臣教授還將微納米MOFs材料負載或固定于天然棉纖維、聚丙烯樹脂棉、聚氨酯海綿、商業化濾料、陶瓷膜等基質上,將其用于組裝連續運行裝置,進行高級氧化去除水體中的有機污染物或光催化還原水體中的高價有毒金屬(如六價鉻)。
 
  到目前為止,王崇臣教授及其團隊發表了100多篇高水平研究論文,并得到了同行的廣泛關注,單篇論文引用最高達到1200多次,另有多篇論文被認定為基本數據庫熱點論文(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世界排名前2%科學家綜合排行榜/單年榜(2020年和2021年)及全球頂尖前10萬名科學家排名榜單。
 
  蓬勃發展局勢下 我國環境功能材料研發應遵循四大方向
 
  從目前研究狀況看,近年來我國環境功能材料相關論文的發表量不斷增加,已經進入了蓬勃發展時期。但相當數量的研究仍集中在國際熱點上,以實驗室層面的材料研發與污染物理論研究為主,針對復雜和實際環境介質中的材料應用研究較為薄弱,處于跟跑狀態。
 
  雖然部分研究正在從理論研究向著應用推廣過渡,且有些成果已經處于世界領先水平,但我國在高端材料、關鍵材料、原創性材料的研發規模和整體質量上仍較為落后。此外,目前國內環境功能材料的研究對其與生態和人體健康的關系重視不夠,尚未完全建立可持續發展的科學體系。
 
  針對我國環境功能材料現階段研究中存在的問題,王崇臣教授用“前瞻性”“戰略性”“全局性”“系統性”四個特點,概括了我國環境功能材料研發的努力方向。
 
  “前瞻性”,即指加大基礎研究力度,夯實基本科學問題、基本研究理論;“戰略性”,即基于實際需求集成環境功能材料研究的現有成果,在考慮我國國民經濟發展和生態環境實際需求的基礎上,逐步建立環境功能材料學科體系;“全局性”,即關注環境功能材料本身對環境和人類健康的影響,不僅研究其性能和功能,還要站在全生命周期的角度對其進行綜合評價。環境功能材料在環境中的行為、安全性、次生環境風險、生物毒性效應都應納入考量范圍,從而建立環境功能材料毒理學和生態毒性的評價體系和標準;“系統性”,即加強基礎研究、應用研究和工程應用的“產學研用”協同發展,避免出現研究和應用“兩張皮”的問題。
 
  近幾年,我國將水污染的防治提升到了國家戰略的高度,科學系統的研發體系作為生態環境治理體系的重要組成部分,是生態環境治理的基礎布局。上述的四大方向不僅僅是針對環境功能材料研發短板提出的解決方案,更是建立科學水環境技術研發系統的“指揮棒”。
 
  守住“綠水” 為了這一代和將來世世代代保護和改善環境
 
  人類既是環境的創造物,又是環境的塑造者,良好的生態環境對人類生存和發展至關重要。面對著越來越嚴峻的環境形勢,聯合國《人類環境宣言》更是提出了“為了這一代和將來世世代代保護和改善環境”的口號。
 
  基于當前環保工作的實際需求,王崇臣教授認為環境功能材料的發展應重視環境污染治理問題及資源-環境的協調性,實現高性能環境功能材料的定向開發和精準調控。同時,還應加強研發與新型環境功能材料配套使用的新型裝置和設備以及與其對應的新工藝。
 
  “當前,相當數量的新型環境功能材料雖然性能很好,但是制備工藝復雜、單次產量低導致成本高昂,極大地限制了其實用性。在環境功能材料研發領域,我最期待的是低成本、宏量生產材料的新技術可以不斷涌現。”
 
  17年前,我國提出了“綠水青山就是金銀山”的科學論斷。這些年來,以王崇臣教授為代表的科研工作者們步步為營,一直在為了守住這片“綠水”努力著。
 
  “我相信,會有越來越多的同行致力于環境功能材料的宏量生產技術研發,讓這些新材料在實際環境保護和環境修復領域發揮其卓越性能,為國家、人民甚至全人類造福!”
 
  人物簡介
 
王崇臣教授
 
  王崇臣,男,1974年,漢族,山東臨沂人。北京建筑大學教授、博士生導師,擔任建筑結構與環境修復功能材料北京市重點實驗室主任。入選北京市百千萬人才、北京市高創計劃百千萬領軍人才和長城學者。獲得北京市高等學校青年教學名師獎。
 
  任Environmental Functional Materials、Chinese Chemical Letter、工業水處理、環境化學等期刊副主編及編委。中國材料研究學會副秘書長/理事、中國化學會高級會員、中國環境科學學會水處理與回用專業委員會委員、中國感光學會光催化委員會委員、中國計量學會室內環境和材料測試分會委員、北京化學會青少年科普委員會副主任、北京環境科學學會科技創新分會副主任委員等。
 
  主要研究領域為新型環境功能材料、水文化。在新型環境功能材料方面,以金屬-有機骨架(MOFs)材料為主開展水污染控制方面的研究工作。在MOFs低成本宏量生產、傳感檢測污染物、吸附去除污染物、高級氧化/還原污染物等方面主持國家自然科學基金、北京自然科學基金等縱向項目10余項。發表代表性論文100余篇,其中多篇ESI高被引論文和熱點論文。在水文化方面,承擔了北京社科基金重點項目,系統研究了北京地區的水文化遺產及其水文化,舉辦系列北京水文化遺產展覽,相關事跡得到了北京廣播電視臺、北京晚報等主流媒體的宣傳報道。提出中軸線保護與發展應關注水文化與水文化遺產,獻言建策得到了北京市主要領導的批示。

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