專注攻克MOFs材料宏量生產(chǎn)難關(guān) 探尋環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展未來
——訪北京建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料北京市重點實驗室主任王崇臣教授
2021年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布了一份關(guān)于地球健康狀況的報告——《人與自然和平相處》，報告指出當(dāng)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(chuàng)性、技術(shù)和合作迫切需要從改造自然轉(zhuǎn)向改造人類與自然的關(guān)系，只有學(xué)會與自然和平相處，才能夠給當(dāng)代青年和子孫后代一個可持續(xù)發(fā)展的未來。
恰逢第53個世界地球日，化工儀器網(wǎng)將目標(biāo)聚焦于一直致力于為環(huán)境保護提供解決方案、積極參與環(huán)保活動的廠商與個人，看他們?nèi)绾瓮ㄟ^不懈的努力，為我國的環(huán)境保護鉆研新技術(shù)、開發(fā)新產(chǎn)品。
此次訪談化工儀器網(wǎng)特別采訪了北京建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)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(huán)境功能材料方面的研究及成果，并分析了當(dāng)前中國新型功能材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。
水污染制約生產(chǎn)生活 MOFs材料環(huán)境修復(fù)潛力巨大前景向好
水是生命之源，是人類賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著工業(yè)化和和城市化進程加速，水污染形勢日趨嚴(yán)峻，特別是近年來各種新污染物的出現(xiàn)，對我國的經(jīng)濟發(fā)展和人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響，嚴(yán)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(zhuǎn)向了水環(huán)境的修復(fù)上，并開發(fā)出了膜技術(shù)、Fenton及類Fenton氧化法、光化學(xué)催化氧化等技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域。在這樣的背景下，可用于多種技術(shù)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(yīng)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(huán)境修復(fù)尤其是水污染控制方面具有非常好的應(yīng)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(huán)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(jié)構(gòu)、超大的比表面積、可控的孔徑和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、豐富的活性位點。MOFs易于培養(yǎng)單晶，可表征其精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，有助于研究其性能與結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系。同時，MOFs的模板特性使其具有可設(shè)計性，并可從分子層面對其進行調(diào)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(chǔ)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(chǎn)的技術(shù)難關(guān)
MOFs作為新型環(huán)境功能材料應(yīng)用于污水控制得到了諸多研究人員的青睞，但MOFs在具體應(yīng)用中一直面臨著材料單次產(chǎn)量低、生產(chǎn)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(chǎn)的技術(shù)難關(guān)。
王崇臣教授不僅設(shè)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(xué)性能，開發(fā)出了具有光控吸脫附性能的MOFs材料及其復(fù)合物。
“這種MOFs材料只要用光照(太陽光)就能實現(xiàn)吸附劑的脫附再生和重復(fù)利用，是一種節(jié)能環(huán)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(fù)載或固定于天然棉纖維、聚丙烯樹脂棉、聚氨酯海綿、商業(yè)化濾料、陶瓷膜等基質(zhì)上，將其用于組裝連續(xù)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(fā)表了100多篇高水平研究論文，并得到了同行的廣泛關(guān)注，單篇論文引用最高達(dá)到1200多次，另有多篇論文被認(rèn)定為基本數(shù)據(jù)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(xué)世界排名前2%科學(xué)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(xué)家排名榜單。
蓬勃發(fā)展局勢下 我國環(huán)境功能材料研發(fā)應(yīng)遵循四大方向
從目前研究狀況看，近年來我國環(huán)境功能材料相關(guān)論文的發(fā)表量不斷增加，已經(jīng)進入了蓬勃發(fā)展時期。但相當(dāng)數(shù)量的研究仍集中在國際熱點上，以實驗室層面的材料研發(fā)與污染物理論研究為主，針對復(fù)雜和實際環(huán)境介質(zhì)中的材料應(yīng)用研究較為薄弱，處于跟跑狀態(tài)。
雖然部分研究正在從理論研究向著應(yīng)用推廣過渡，且有些成果已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，但我國在高端材料、關(guān)鍵材料、原創(chuàng)性材料的研發(fā)規(guī)模和整體質(zhì)量上仍較為落后。此外，目前國內(nèi)環(huán)境功能材料的研究對其與生態(tài)和人體健康的關(guān)系重視不夠，尚未完全建立可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)體系。
針對我國環(huán)境功能材料現(xiàn)階段研究中存在的問題，王崇臣教授用“前瞻性”“戰(zhàn)略性”“全局性”“系統(tǒng)性”四個特點，概括了我國環(huán)境功能材料研發(fā)的努力方向。
“前瞻性”，即指加大基礎(chǔ)研究力度，夯實基本科學(xué)問題、基本研究理論；“戰(zhàn)略性”，即基于實際需求集成環(huán)境功能材料研究的現(xiàn)有成果，在考慮我國國民經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境實際需求的基礎(chǔ)上，逐步建立環(huán)境功能材料學(xué)科體系；“全局性”，即關(guān)注環(huán)境功能材料本身對環(huán)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(huán)境功能材料在環(huán)境中的行為、安全性、次生環(huán)境風(fēng)險、生物毒性效應(yīng)都應(yīng)納入考量范圍，從而建立環(huán)境功能材料毒理學(xué)和生態(tài)毒性的評價體系和標(biāo)準(zhǔn)；“系統(tǒng)性”，即加強基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和工程應(yīng)用的“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同發(fā)展，避免出現(xiàn)研究和應(yīng)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(zhàn)略的高度，科學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)體系作為生態(tài)環(huán)境治理體系的重要組成部分，是生態(tài)環(huán)境治理的基礎(chǔ)布局。上述的四大方向不僅僅是針對環(huán)境功能材料研發(fā)短板提出的解決方案，更是建立科學(xué)水環(huán)境技術(shù)研發(fā)系統(tǒng)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(huán)境
人類既是環(huán)境的創(chuàng)造物，又是環(huán)境的塑造者，良好的生態(tài)環(huán)境對人類生存和發(fā)展至關(guān)重要。面對著越來越嚴(yán)峻的環(huán)境形勢，聯(lián)合國《人類環(huán)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(huán)境”的口號。
基于當(dāng)前環(huán)保工作的實際需求，王崇臣教授認(rèn)為環(huán)境功能材料的發(fā)展應(yīng)重視環(huán)境污染治理問題及資源-環(huán)境的協(xié)調(diào)性，實現(xiàn)高性能環(huán)境功能材料的定向開發(fā)和精準(zhǔn)調(diào)控。同時，還應(yīng)加強研發(fā)與新型環(huán)境功能材料配套使用的新型裝置和設(shè)備以及與其對應(yīng)的新工藝。
“當(dāng)前，相當(dāng)數(shù)量的新型環(huán)境功能材料雖然性能很好，但是制備工藝復(fù)雜、單次產(chǎn)量低導(dǎo)致成本高昂，極大地限制了其實用性。在環(huán)境功能材料研發(fā)領(lǐng)域，我最期待的是低成本、宏量生產(chǎn)材料的新技術(shù)可以不斷涌現(xiàn)。”
17年前，我國提出了“綠水青山就是金銀山”的科學(xué)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(huán)境功能材料的宏量生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)，讓這些新材料在實際環(huán)境保護和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域發(fā)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(xué)教授、博士生導(dǎo)師，擔(dān)任建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)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(chuàng)計劃百千萬領(lǐng)軍人才和長城學(xué)者。獲得北京市高等學(xué)校青年教學(xué)名師獎。
任Environmental Functional Materials、Chinese Chemical Letter、工業(yè)水處理、環(huán)境化學(xué)等期刊副主編及編委。中國材料研究學(xué)會副秘書長/理事、中國化學(xué)會高級會員、中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會水處理與回用專業(yè)委員會委員、中國感光學(xué)會光催化委員會委員、中國計量學(xué)會室內(nèi)環(huán)境和材料測試分會委員、北京化學(xué)會青少年科普委員會副主任、北京環(huán)境科學(xué)學(xué)會科技創(chuàng)新分會副主任委員等。
主要研究領(lǐng)域為新型環(huán)境功能材料、水文化。在新型環(huán)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(chǎn)、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(xué)基金、北京自然科學(xué)基金等縱向項目10余項。發(fā)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(dān)了北京社科基金重點項目，系統(tǒng)研究了北京地區(qū)的水文化遺產(chǎn)及其水文化，舉辦系列北京水文化遺產(chǎn)展覽，相關(guān)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(fā)展應(yīng)關(guān)注水文化與水文化遺產(chǎn)，獻言建策得到了北京市主要領(lǐng)導(dǎo)的批示。
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