踢好负碳产业化的“临门一脚”
“再过两个月，我们就把这个‘集装箱’送到国家工程中心（先进储能材料国家工程研究中心），帮他们完成二氧化碳转化。”国家纳米科学中心研究员赵慎龙告诉《中国科学报》，“我们一边和化工企业、零碳园区合作进行成果转化，一边孵化一些科技公司，将二氧化碳利用起来，助力实现双碳目标。” 这种“集装箱”是赵慎龙团队研发的一种负碳（二氧化碳循环、消纳）装置。1台功率10千瓦的负碳装置约1立方米大小，每年可以消纳20吨二氧化碳。从萌生想法到电极材料开发及阐明机理、实验验证，再到小试、中试放大，直到形成这台负碳装置，赵慎龙花了近10年时间。有趣的是，这个从基础研究到转化落地的探索历程，竟始于一次学生食堂里的几句闲聊……
赵慎龙（右）展示电极材料。 受访者供图 碗筷叮当间诞生一个新方向 2012年初，还是硕士研究生的时候，赵慎龙一天在食堂吃饭，碰到生物学系一位研究“药物运载”的师兄。那时候赵慎龙正在做石墨烯相关研究，和师兄的研究方向“八竿子打不着”。 边吃边聊中，师兄随口说了一句：MOFs（金属有机框架化合物）的比表面积大得惊人——1克MOFs展开后，表面积能达到3000平方米，相当于1.3个巴塞罗那诺坎普足球场（欧足联五星级球场）。 赵慎龙愣了一下：“这么大的比表面积，用到催化上不得了啊？” 饭后，赵慎龙去查阅相关文献，发现还没人将MOFs和电催化联系起来，这让他非常兴奋。 “没人触碰的东西，我特别感兴趣。”赵慎龙说，“比表面积大意味着接触面、反应面更大，有利于催化反应。但MOFs既不是传统的铂、镍等贵金属催化剂（纯无机物），也不是有机小分子催化剂，它是有机-无机杂化材料，有特殊的结构，既有有利于催化的一面，也存在不利的因素。” 此后5年，他把精力全“砸”在把MOFs功能化上：用纳米技术去改善它的缺点，让这个原本“优势明显，缺点也突出”的有机-无机杂化材料，真正成为催化剂的理想载体。 2016年，博士在读的赵慎龙在《自然-能源》发表论文，提出超薄金属有机框架化合物纳米片用于电催化析氧反应，并通过调控双金属比例，实现高效析氧催化性能。 这是国际上最早将MOFs应用于催化的工作之一，在催化领域引起广泛关注。该论文目前被引超过3000次，让赵慎龙2021年至2025年连续被评为“科睿唯安全球高被引学者”。但发表之初，质疑之声也接踵而至：比贵金属便宜那么多，凭什么效果这样好？ “现在回头看，我要感谢那些质疑。”赵慎龙说，“它推着我去回答一个更根本的问题：MOFs究竟为什么好？” 2017年，赵慎龙赴新南威尔士大学进行博士后研究。期间，他一刻未停地拆解MOFs电催化机理。2019年，他到澳大利亚悉尼大学独立开展研究，研究范围虽然涉及光催化、电催化、电池、微生物等领域，但他始终没有放弃追问“MOFs究竟为什么好”。 十几年持续深耕MOFs领域，也让他收获颇丰。2020年，赵慎龙在《自然》发表第二篇关于MOFs的论文。这篇被引用超过1000次的文章完美回答了MOFs为什么能很好用于催化的问题。2025年，赵慎龙在《自然-化学工程》发表第三篇关于MOFs应用的论文，阐述了该团队在MOFs电极规模化制备及电解水应用方面取得的突破。 “我们的风格就是深挖。”赵慎龙说，“从MOFs可用于催化、到催化机理、解决应用难题，我们基本上5年解决一个问题。一口一口把它‘啃’了下来。”
研究人员在二氧化碳转化电解槽前工作。 受访者供图 导师一句话，他开始转向应用 从硕士到博士，赵慎龙在国家纳米科学中心学习和工作了6年，导师是中国科学院院士唐智勇。2022年，赵慎龙入选国家海外高层次人才计划。虽然多家高校和研究机构向他抛出橄榄枝，他还是选择回到国家纳米科学中心。 “这是个新成立的研究机构，虽然体量不大，但温馨开放。”赵慎龙解释说，“中心有很多海外回来的研究人员，大家纯粹、开放，科研氛围很好。” 回到国家纳米科学中心不久，导师唐智勇找到赵慎龙。 “年轻人一定要集中自己的方向，如果啥都做，最后可能啥都做不出来。”唐智勇说，“科学院的办院方针是‘四个面向’，是要解决国家重大创新和发展问题。” “回国前我做的是纯基础研究，目标就是发文章。而且涉猎广泛，兴趣很多。”赵慎龙说，“唐老师非常了解我，看到我们已经搞清MOFs机理，就提醒我要锁定目标，做些能解决国家需求的应用研究。” 那时候国家正推进“双碳”战略，赵慎龙把研究方向集中到“绿电驱动小分子催化”——一边致力于把工业尾气里的二氧化碳变成一氧化碳、乙烯；一边绕开传统电解海水的“氢氧路线”，以“氢氯”工艺路线解决电解海水难题。 为验证团队的研究，国家纳米科学中心支持赵慎龙团队与上市公司科力远、先进储能材料国家工程研究中心合作，在湖南常德建起年产1万平方米膜电极的中试基地。但他很快发现，实验室里用1厘米×1厘米的电极片做了无数次实验，性能表现无可挑剔的技术搬到中试产线，面对1米×1米规模的电极片时，各种问题都冒了出来。 “同样的条件，实验室里和中试放大合成的材料均匀度完全不同。”赵慎龙说，“理论在那一刻好像失灵了。” 一次次“碰壁”中，赵慎龙团队和合作伙伴研究、讨论、改进、实验，他发现实验室里1厘米规模测试时，热效应几乎可以忽略。一旦做到一米见方，电极两端的散热就成为不能忽略的问题，随之而来的电压、电场分布、热传递情况，表面温度、反应速率都会发生变化，最后导致产品性能不稳定。 “放大绝非简单的增量问题，放大过程中，一定会伴随着技术路线的变革。”赵慎龙说，“中试或实际生产会碰到很多意想不到的问题，我们就要抱着小学生心态，去学习、反思、实验、分析，摸着石头过河。”
规模化制备电极材料。 受访者供图
规模化制备电极材料。 受访者供图 集装箱里，装着"负碳"的未来 从实验室的1厘米电极片，到中试产线的1平方米电极，再到即将交付企业的“集装箱”，赵慎龙团队的技术路线已经完全打通。一个“集装箱”每年可以消纳20吨二氧化碳。如果需要更大规模，企业可根据自己的排放量，像搭积木一样多组合几个“集装箱”，从而实现直接在园区里消纳二氧化碳。 “这项技术能真正做到‘负碳’。”赵慎龙解释说，“它不是减少排放或不排放（零碳），而是将二氧化碳消纳掉——转化为一氧化碳、合成气或乙烯。乙烯是多种工业原料，被称为‘工业之母’，以此实现减排和二氧化碳高值转化。” 去年，国家发布了52个国家级零碳园区，赵慎龙团队与科力远联合拿下了河北保定零碳园区。在他看来，氢能是“零碳”技术，但要真正实现双碳目标，必须有“负碳”技术——把已经排到大气里的二氧化碳抓住、转化、高值化。 “当这些基础研究真的变成一个装置、能解决企业的实际问题时，还是很有成就感的。”赵慎龙说，“现在就差临门一脚，这一脚不是技术的句号，而是真正放到应用场景里跑通的开始。” 谈及成果转化，赵慎龙认为真正能落地的成果应该从基础研究开始。MOFs能走到今天，靠的是发现现象、阐明机理，再到解决应用问题的扎实研究。“没有最基本的原理和武器库，后面所有应用都是空中楼阁”。他同时强调科研成果转化要广泛协作，向国际国内同行、向企业合作伙伴学习。 “成果转化中，科学家要再向前走一步。”赵慎龙说，“一项实验室技术完全交给企业，大概率‘做不出来’。研究机构和企业各有所长，双方密切合作才能找到出路。科研人员要拿出一半时间，到工厂、到车间去学习、去‘答题’。”