如果明天就要開(kāi)組會(huì)，但實(shí)驗(yàn)卻毫無(wú)進(jìn)展，你會(huì)怎么做?

這種煎熬的生活，周子暉過(guò)了兩年。作為美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的博士生，他一直學(xué)著和失敗打交道?？粗槐M如人意的數(shù)據(jù)，以及老師下意識(shí)地?fù)u頭，他能做的只剩一次次地嘗試和期待。

功夫不負(fù)有心人。在一次實(shí)驗(yàn)中，他終于得到了理想數(shù)據(jù)，此后更是“一路綠燈”，順利發(fā)現(xiàn)了一種能夠從空氣中捕獲二氧化碳的新型多孔材料。

近日，以周子暉為第一作者的研究成果發(fā)表于《自然》，從投稿到被接收，僅僅用時(shí)4個(gè)月。

“抓走”二氧化碳

直接從空氣中“抓走”二氧化碳，被許多科學(xué)家視為碳中和的“最后一公里”。但從技術(shù)層面看，能不能實(shí)現(xiàn)、該怎樣實(shí)現(xiàn)，始終沒(méi)有得到答案。

周子暉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，二氧化碳吸附有兩大方向，一是從工廠排放的煙氣中“捕捉”二氧化碳，從源頭避免碳排放;二是直接從空氣中“抓走”二氧化碳，通過(guò)吸附空氣中已有的二氧化碳，讓其濃度不再升高，甚至逐漸回落至原始水平。

其實(shí)，從空氣中“抓走”二氧化碳的想法并不新鮮。早在1999年，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的化學(xué)工程師Klaus Lackner首次提出了該設(shè)想。此后，不少科學(xué)家圍繞二氧化碳的酸性特質(zhì)“大做文章”，試圖利用各類(lèi)堿性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)酸堿反應(yīng)，吸走空氣里的二氧化碳。

然而，種種嘗試都鎩羽而歸。

“一類(lèi)材料復(fù)用條件高，通常需要600℃至900℃的高溫，才能讓這類(lèi)材料‘再生’;另一類(lèi)材料穩(wěn)定性差，哪怕是在無(wú)水無(wú)氧的理想條件下，10次左右就出現(xiàn)了明顯的性能衰退。”周子暉解釋說(shuō)。

周子暉則另辟蹊徑，在導(dǎo)師提出的共價(jià)有機(jī)框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一種新型多孔材料。它使用穩(wěn)定的共價(jià)碳-碳鍵作為材料骨架，并在孔隙內(nèi)部“裝”上盡量多的氨基，讓其充分吸收二氧化碳。

不同于僅通過(guò)小分子間弱范德華力的非共價(jià)連接，該材料采用共價(jià)連接方式，通過(guò)共享電子將原子緊密連接在一起，使得骨架更加堅(jiān)固、穩(wěn)定。

“此外，共價(jià)有機(jī)框架是具有疏水性的有機(jī)材料，吸收二氧化碳的同時(shí)吸水量小，在二氧化碳脫附過(guò)程中耗能小，整體的再生溫度低。”周子暉說(shuō)，它在25℃的室溫條件下就能有效釋放捕獲的二氧化碳，且20天100次的循環(huán)測(cè)試顯示，材料性能無(wú)衰退跡象。

一份特別的生日禮物

2021年，從清華大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)后，22歲的周子暉來(lái)到加利福尼亞大學(xué)伯克利分校深造。

周子暉所在的課題組從2019年就開(kāi)始了這項(xiàng)材料的研究。當(dāng)時(shí)只有一個(gè)模糊的思路，即把盡可能多的氨基作為二氧化碳的吸附位點(diǎn)，并通過(guò)共價(jià)連接的方式建造一個(gè)穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。不過(guò)，最初為了降低難度，團(tuán)隊(duì)選擇先設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定性稍差、合成難度也相對(duì)較低的骨架，再通過(guò)后續(xù)優(yōu)化提升穩(wěn)定性。

然而花了兩年時(shí)間，嘗試了各種各樣的材料、設(shè)計(jì)了無(wú)數(shù)連接方案，他們都沒(méi)有得到想要的結(jié)果，骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

很顯然，這個(gè)看似捷徑的方式把課題組引入了死胡同。沒(méi)辦法，只能“上難度”。團(tuán)隊(duì)成員很快調(diào)整思路，決定直接進(jìn)攻穩(wěn)定性強(qiáng)且難度高的骨架結(jié)構(gòu)。

交給誰(shuí)來(lái)做呢?導(dǎo)師看了看被折磨了兩年的“老兵”們，一時(shí)間竟找不到合適的人選。正在這時(shí)，周子暉加入了課題組。

“很快，設(shè)計(jì)材料的重任就交給了我。我至少試了20種不同的骨架結(jié)構(gòu)，無(wú)論怎么改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，就是做不出多孔材料。”回想起那段晝夜不分卻“顆粒無(wú)收”的日子，周子暉依舊“很崩潰”。

課題組每?jī)芍艿闹芤慌e行組會(huì)。“周日下午，實(shí)驗(yàn)室里基本坐滿了人，大家都在補(bǔ)數(shù)據(jù)。只有測(cè)出滿意的數(shù)據(jù)，大家才會(huì)離開(kāi)。”周子暉說(shuō)，“當(dāng)時(shí)我們課題組發(fā)表過(guò)的最好的二氧化碳吸附量是0.3毫摩爾每克，但前兩年我所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都沒(méi)有超過(guò)0.05。趕上組會(huì)，如果實(shí)在沒(méi)數(shù)據(jù)，就只能改改上次的PPT，調(diào)調(diào)順序，重新匯報(bào)一遍。”

就這樣，被失敗反復(fù)打擊的周子暉被迫養(yǎng)成了好心態(tài)。當(dāng)?shù)谝淮慰吹?.4的吸附量時(shí)，他不敢相信地揉了揉眼睛。

沒(méi)看錯(cuò)!周子暉情難自禁，一個(gè)箭步把導(dǎo)師拉了過(guò)來(lái)，告訴他這一喜訊。

命運(yùn)的轉(zhuǎn)折總是悄然而至。從那以后，實(shí)驗(yàn)變得非常順利，數(shù)據(jù)從0.4慢慢優(yōu)化到0.9。2023年底，周子暉測(cè)完了所有數(shù)據(jù)，開(kāi)始著手寫(xiě)論文，并于2024年4月底將論文投出。

“導(dǎo)師當(dāng)時(shí)說(shuō)，這么好的材料要選一個(gè)好記的數(shù)字，于是將其命名為COF-999。正好我的生日是1999年9月27日，年份有9，月份有9，27也是由3個(gè)9組成。”周子暉笑著說(shuō)。

不光名字有紀(jì)念意義，2024年9月，他驚喜地得知，論文已被《自然》接收。

“這真是一份特別的生日禮物。”周子暉興奮地說(shuō)。

要走的路還很長(zhǎng)

“直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，我都沒(méi)想過(guò)成果能在《自然》發(fā)表。”周子暉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，2023年底，在和導(dǎo)師總結(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，他們突然想到，既然測(cè)試數(shù)據(jù)這么好，不妨試試能否在室外吸收二氧化碳。

“當(dāng)時(shí)導(dǎo)師沒(méi)抱什么希望，因?yàn)榇饲按蠹业难芯慷际腔趯?shí)驗(yàn)室展開(kāi)，很少有人在室外測(cè)試。”周子暉說(shuō)。

他買(mǎi)了一些器件進(jìn)行改造，前前后后花了快一個(gè)月時(shí)間，終于開(kāi)發(fā)出了合適的設(shè)備和程序。

“我們?cè)谛@里做了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)一根管子將空氣送進(jìn)儀器，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)COF-999處理后，二氧化碳濃度從0.04%降到0。”周子暉驕傲地說(shuō)，如果把20天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)延展到365天，意味著只要200克COF-999，一年就能吸收20千克二氧化碳，相當(dāng)于一棵成年樹(shù)木每年吸收的二氧化碳量。

這項(xiàng)研究得到了審稿人的高度認(rèn)可：“這項(xiàng)工作非常扎實(shí)，為從空氣中吸收二氧化碳提供了理論支持。”

但周子暉明白，要走的路還很長(zhǎng)。“要實(shí)現(xiàn)COF-999的大規(guī)模應(yīng)用，這項(xiàng)研究還有很多值得深入的部分。”周子暉解釋說(shuō)，“但我相信柳暗花明，只要踏踏實(shí)實(shí)走好每一步，一定能有所收獲。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x