“我們從來沒有和任何企業(yè)合作開發(fā)過交流電合成設(shè)備，成果請各位不要上當(dāng)受騙?？茖W(xué)”7月下旬，發(fā)表一次學(xué)術(shù)報告的后位最后，雷愛文特別做出聲明。教授這已經(jīng)不是特別他第一次在學(xué)術(shù)會議上做出這樣的聲明了。
雷愛文是做出武漢大學(xué)高等研究院、化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院教授，聲明長期致力于合成化學(xué)方面的成果研究。近年來，科學(xué)他和團隊研究開發(fā)了一種可編程波形交流電合成技術(shù)，發(fā)表實現(xiàn)了交流電解環(huán)境下金屬催化物種精準調(diào)控。后位7月12日《科學(xué)》在線發(fā)表了這項研究成果。教授
研究：不走尋常路
人類歷史上的特別兩次工業(yè)革命都與能源息息相關(guān)。第一次工業(yè)革命主要標(biāo)志是做出蒸汽機的發(fā)明和煤炭的大規(guī)模使用，這一時期人類進入了煤炭能源時代。第二次工業(yè)革命則以電力和內(nèi)燃機的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，主要能源轉(zhuǎn)變?yōu)槭秃吞烊粴狻?/p>
“然而，不論是煤炭、石油，還是天然氣都不可再生，無法做到綠色低碳?！崩讗畚慕榻B，合成電化學(xué)新技術(shù)具備綠色、安全和低能耗的特性，有望應(yīng)用于解決當(dāng)前基于化石能源驅(qū)動的現(xiàn)行生產(chǎn)力產(chǎn)生的環(huán)境污染、安全生產(chǎn)風(fēng)險和高能耗問題。
雷愛文告訴《中國科學(xué)報》，作為國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會評定的2023年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一，合成電化學(xué)這種新興技術(shù)當(dāng)前主要以直流電作為驅(qū)動力，并通過調(diào)節(jié)電流或者電壓控制化學(xué)反應(yīng)過程。
相對于直流電，交流電具有極性反轉(zhuǎn)和周期性波動的特點，并且具備如波形、頻率、占空比等更多可調(diào)節(jié)電學(xué)參數(shù)的優(yōu)勢，為實現(xiàn)精準物質(zhì)制造提供了“無限潛力”。然而，更多維度的電學(xué)參數(shù)引入電化學(xué)合成反應(yīng)中會導(dǎo)致可優(yōu)化的反應(yīng)條件呈指數(shù)級增加，極大增加了研究難度。因此，迄今為止，世界范圍內(nèi)的交流電合成技術(shù)仍處于萌芽階段。
“越是走的人少的路、難走的路，越可能出原創(chuàng)性成果，我們不妨試著往交流電方面鉆研。”課題組例會上，雷愛文的拋出一個反常規(guī)的思路。
“此后，一次回家路上，我和雷老師在電話里進行了一場很深入的頭腦風(fēng)暴，我們交流探討了交流電技術(shù)的可實現(xiàn)路徑。隨后，我們一起搭了一個簡易的裝置，然后拿著這個裝置反復(fù)做實驗，竟發(fā)現(xiàn)了一些很神奇的現(xiàn)象。”論文一作、武漢大學(xué)高等研究院特聘副研究員曾力告訴《中國科學(xué)報》，那次靈光乍現(xiàn)的討論，成了他們創(chuàng)新研究的起點。
“直流電只有電流和電壓兩種電學(xué)參數(shù)，而交流電則不同，它還有波形、頻率、占空等多個電學(xué)參數(shù)，并且是一種周期性的存在?！崩讗畚慕榻B，電合成化學(xué)本身有無限的可能，以前簡單的直流電化學(xué)，只調(diào)節(jié)電流或者電壓，由于調(diào)節(jié)的參數(shù)比較少，不能徹底挖掘出合成電化學(xué)在物質(zhì)制造過程中的潛力。使用非對稱交流電，在很大程度上開拓了研究的手段和方法。
他打了個比方，直流電好比一個小漁村；交流電就好比是地球；非對稱交流電，則可以看成是整個宇宙的存在。
令雷愛文團隊喜出望外的是，該團隊通過交流電電子層面的精準調(diào)控，不僅解決了傳統(tǒng)化學(xué)合成過程中能源消耗和環(huán)境污染的問題，而且為實現(xiàn)物質(zhì)綠色制造提供了一條可行路徑。
雷愛文告訴記者：“要激發(fā)這項新技術(shù)的應(yīng)用潛力，必須開發(fā)出與之相匹配的設(shè)備，進而創(chuàng)新生產(chǎn)工藝，最終投入產(chǎn)業(yè)化，形成新質(zhì)綠色生產(chǎn)力?！?/p>
推廣：設(shè)備是關(guān)鍵
令研究團隊沒料到的是，他們可供量產(chǎn)的設(shè)備還沒有研制成功，市場上就已經(jīng)有人在兜售相關(guān)設(shè)備了。
“近些年，我們在Science、Nature Chem、Nature Catal等期刊陸續(xù)發(fā)表了一些文章，很多業(yè)界同行和上下游技術(shù)人員都對這項創(chuàng)新技術(shù)感興趣，有設(shè)備采購需求，但精密設(shè)備研制需要周期。我們當(dāng)前正在全力研發(fā)更為精密智慧的交流電合成設(shè)備（聰明電源），爭取早日讓聰明電源實現(xiàn)商品化，為合成化學(xué)的同行提供研究工具?！崩讗畚南氲降淖钪苯拥霓k法，就是在各種學(xué)術(shù)會議上以正視聽，于是就出現(xiàn)了本文開頭那一幕。
“對交流電合成電源設(shè)備的需求，也從另一個方面反映出不對稱交流電技術(shù)有著廣闊的市場?！痹Ω嬖V記者，在雷愛文的帶領(lǐng)下，該團隊正在緊鑼密鼓地研制設(shè)備，并且有了進展。不久的將來，精密的配套設(shè)備將為合成電化學(xué)新技術(shù)在綠色物質(zhì)制造等更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力助力，為化學(xué)化工綠色化、智能化和高端化提供新的動能。
“當(dāng)前人們所享受的無線生活、智能生活，使用的手機、電腦、電視等等，都是對電子的控制。人類對電子的控制水平已經(jīng)非常高了，但人類對電子的控制成果還沒有充分地應(yīng)用到物質(zhì)制造上?！崩讗畚恼J為，非對稱交流電合成電化學(xué)新技術(shù)為人類對電子的精準控制轉(zhuǎn)嫁到電合成上創(chuàng)造了機會和條件。未來，有望將電子控制應(yīng)用于物質(zhì)制造，實現(xiàn)更加環(huán)保、高效和智能的生產(chǎn)過程。
創(chuàng)新：需要“瞎琢磨”
記者了解到，過去的100多年，交流電合成化學(xué)是一個“新詞”，一直有待更為全面、完整的補充說明。而在這篇文章里，雷愛文和他的團隊引入了非對稱占空、非對稱電流和非對稱電極這三個關(guān)鍵詞，特別是非對稱占空和非對稱電流兩項參數(shù)是第一次被科學(xué)家應(yīng)用到合成化學(xué)中。
對這項技術(shù)的應(yīng)用前景，雷愛文頗有信心。他舉例介紹，傳統(tǒng)的電解水會產(chǎn)生氧氣等低價值產(chǎn)品，而使用“綠電”的有機合成電化學(xué)則不會，在生產(chǎn)高價值有機化工產(chǎn)品的同時，聯(lián)產(chǎn)得到的氫氣可以在新能源汽車等產(chǎn)業(yè)上進行運用，從而帶動整個行業(yè)的“綠色化”。未來，當(dāng)基于非對稱交流電合成電化學(xué)新技術(shù)的“綠電合成”實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化了，整個化工制造產(chǎn)業(yè)鏈都將迎來模式的創(chuàng)新。
一位國際同行評價認為，通過技術(shù)進步和創(chuàng)新，武漢大學(xué)雷愛文教授及其團隊正在推動化學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)方式的變革，為綠色化、智能化的未來奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
不久前，雷愛文去了一趟新疆克拉瑪依。晨跑的時候，他見到廣袤的土地上布滿太陽能光伏發(fā)電板和風(fēng)力發(fā)電機，一個大膽的想法突然蹦了出來——能否基于新疆豐富的光伏、風(fēng)電等綠電資源，配合天山、阿勒泰山脈豐富的雪融水資源和地下河來實現(xiàn)抽水蓄能和綠能循環(huán)，依靠這些綠能運轉(zhuǎn)合成電化學(xué)產(chǎn)業(yè)，建立一個綠色、零排放的智慧城市？
他告訴記者，科學(xué)研究就是要大膽地“瞎琢磨”，琢磨出靈感了就嘗試去研究、去推導(dǎo)、去實驗，一個個天馬行空的靈感，帶來的可能啥也不是，但也可能是原始創(chuàng)新的開端。
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado0875
