“我們從來(lái)沒(méi)有和任何企業(yè)合作開(kāi)發(fā)過(guò)交流電合成設(shè)備，成果請(qǐng)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(bào)告的后位最后，雷愛(ài)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(huì)議上做出這樣的聲明了。
雷愛(ài)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(zhǎng)期致力于合成化學(xué)方面的成果研究。近年來(lái)，科學(xué)他和團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)了一種可編程波形交流電合成技術(shù)，發(fā)表實(shí)現(xiàn)了交流電解環(huán)境下金屬催化物種精準(zhǔn)調(diào)控。后位7月12日《科學(xué)》在線發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。教授
研究：不走尋常路
人類(lèi)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(jī)的發(fā)明和煤炭的大規(guī)模使用，這一時(shí)期人類(lèi)進(jìn)入了煤炭能源時(shí)代。第二次工業(yè)革命則以電力和內(nèi)燃機(jī)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(wú)法做到綠色低碳?！崩讗?ài)文介紹，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(dòng)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(xiǎn)和高能耗問(wèn)題。
雷愛(ài)文告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，作為國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)評(píng)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(dòng)力，并通過(guò)調(diào)節(jié)電流或者電壓控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。
相對(duì)于直流電，交流電具有極性反轉(zhuǎn)和周期性波動(dòng)的特點(diǎn)，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(shì)，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)物質(zhì)制造提供了“無(wú)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(huì)導(dǎo)致可優(yōu)化的反應(yīng)條件呈指數(shù)級(jí)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?！闭n題組例會(huì)上，雷愛(ài)文的拋出一個(gè)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(jìn)行了一場(chǎng)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(shí)現(xiàn)路徑。隨后，我們一起搭了一個(gè)簡(jiǎn)易的裝置，然后拿著這個(gè)裝置反復(fù)做實(shí)驗(yàn)，竟發(fā)現(xiàn)了一些很神奇的現(xiàn)象?！闭撐囊蛔?、武漢大學(xué)高等研究院特聘副研究員曾力告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，那次靈光乍現(xiàn)的討論，成了他們創(chuàng)新研究的起點(diǎn)。
“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(gè)電學(xué)參數(shù)，并且是一種周期性的存在。”雷愛(ài)文介紹，電合成化學(xué)本身有無(wú)限的可能，以前簡(jiǎn)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(guò)程中的潛力。使用非對(duì)稱(chēng)交流電，在很大程度上開(kāi)拓了研究的手段和方法。
他打了個(gè)比方，直流電好比一個(gè)小漁村；交流電就好比是地球；非對(duì)稱(chēng)交流電，則可以看成是整個(gè)宇宙的存在。
令雷愛(ài)文團(tuán)隊(duì)喜出望外的是，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)交流電電子層面的精準(zhǔn)調(diào)控，不僅解決了傳統(tǒng)化學(xué)合成過(guò)程中能源消耗和環(huán)境污染的問(wèn)題，而且為實(shí)現(xiàn)物質(zhì)綠色制造提供了一條可行路徑。
雷愛(ài)文告訴記者：“要激發(fā)這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用潛力，必須開(kāi)發(fā)出與之相匹配的設(shè)備，進(jìn)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(tuán)隊(duì)沒(méi)料到的是，他們可供量產(chǎn)的設(shè)備還沒(méi)有研制成功，市場(chǎng)上就已經(jīng)有人在兜售相關(guān)設(shè)備了。
“近些年，我們?cè)赟cience、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(duì)這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)感興趣，有設(shè)備采購(gòu)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(zhēng)取早日讓聰明電源實(shí)現(xiàn)商品化，為合成化學(xué)的同行提供研究工具?！崩讗?ài)文想到的最直接的辦法，就是在各種學(xué)術(shù)會(huì)議上以正視聽(tīng)，于是就出現(xiàn)了本文開(kāi)頭那一幕。
“對(duì)交流電合成電源設(shè)備的需求，也從另一個(gè)方面反映出不對(duì)稱(chēng)交流電技術(shù)有著廣闊的市場(chǎng)?！痹Ω嬖V記者，在雷愛(ài)文的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)正在緊鑼密鼓地研制設(shè)備，并且有了進(jìn)展。不久的將來(lái)，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(dòng)能。
“當(dāng)前人們所享受的無(wú)線生活、智能生活，使用的手機(jī)、電腦、電視等等，都是對(duì)電子的控制。人類(lèi)對(duì)電子的控制水平已經(jīng)非常高了，但人類(lèi)對(duì)電子的控制成果還沒(méi)有充分地應(yīng)用到物質(zhì)制造上?！崩讗?ài)文認(rèn)為，非對(duì)稱(chēng)交流電合成電化學(xué)新技術(shù)為人類(lèi)對(duì)電子的精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)嫁到電合成上創(chuàng)造了機(jī)會(huì)和條件。未來(lái)，有望將電子控制應(yīng)用于物質(zhì)制造，實(shí)現(xiàn)更加環(huán)保、高效和智能的生產(chǎn)過(guò)程。
創(chuàng)新：需要“瞎琢磨”
記者了解到，過(guò)去的100多年，交流電合成化學(xué)是一個(gè)“新詞”，一直有待更為全面、完整的補(bǔ)充說(shuō)明。而在這篇文章里，雷愛(ài)文和他的團(tuán)隊(duì)引入了非對(duì)稱(chēng)占空、非對(duì)稱(chēng)電流和非對(duì)稱(chēng)電極這三個(gè)關(guān)鍵詞，特別是非對(duì)稱(chēng)占空和非對(duì)稱(chēng)電流兩項(xiàng)參數(shù)是第一次被科學(xué)家應(yīng)用到合成化學(xué)中。
對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景，雷愛(ài)文頗有信心。他舉例介紹，傳統(tǒng)的電解水會(huì)產(chǎn)生氧氣等低價(jià)值產(chǎn)品，而使用“綠電”的有機(jī)合成電化學(xué)則不會(huì)，在生產(chǎn)高價(jià)值有機(jī)化工產(chǎn)品的同時(shí)，聯(lián)產(chǎn)得到的氫氣可以在新能源汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)上進(jìn)行運(yùn)用，從而帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的“綠色化”。未來(lái)，當(dāng)基于非對(duì)稱(chēng)交流電合成電化學(xué)新技術(shù)的“綠電合成”實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化了，整個(gè)化工制造產(chǎn)業(yè)鏈都將迎來(lái)模式的創(chuàng)新。
一位國(guó)際同行評(píng)價(jià)認(rèn)為，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新，武漢大學(xué)雷愛(ài)文教授及其團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)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(lái)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
不久前，雷愛(ài)文去了一趟新疆克拉瑪依。晨跑的時(shí)候，他見(jiàn)到廣袤的土地上布滿太陽(yáng)能光伏發(fā)電板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一個(gè)大膽的想法突然蹦了出來(lái)——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(lái)實(shí)現(xiàn)抽水蓄能和綠能循環(huán)，依靠這些綠能運(yùn)轉(zhuǎn)合成電化學(xué)產(chǎn)業(yè)，建立一個(gè)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(shí)驗(yàn)，一個(gè)個(gè)天馬行空的靈感，帶來(lái)的可能啥也不是，但也可能是原始創(chuàng)新的開(kāi)端。
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado0875
