原标题：迈向碳中和｜北工大环境与生命学部李建荣教授团队：面向环境能源应用，材料化工夯实基础久久为功
为达到碳中和目标，特别是从源头上控制碳排放及相关污染，需要技术革新发展有效碳捕获技术、促成能源供给格局转变、实现化工产品生产过程绿色化等。在诸多方面，材料是技术的基础，材料的创新发展推动技术的进步。其中，化工新材料开发在碳中和实践中扮演着举足轻重的角色。过去十多年里，环境与生命学部李建荣教授团队一直致力于新型金属-有机多孔材料的创制与面向环境能源及食品安全的应用探索研究，取得了良好的进展，为碳中和相关科学技术研究奠定了基础。
创新碳捕获与转化材料科学助力二氧化碳减排技术
有效捕获二氧化碳并安全封存或将其转化为其它高附加值产品，是实现碳中和的兜底手段。二氧化碳的主要工业排放来自化石燃料发电、钢铁冶炼、水泥制造等。针对这些场景，开发吸附容量大、选择性高的材料并推动相关捕获技术的发展是实现二氧化碳减排的重要途径。在二氧化碳捕获新材料的设计上，团队创新地提出一个孔笼专一吸附一个二氧化碳分子的“单分子阱”概念，设计制备出系列专一高效的新型“分子阱”吸附材料（Nature Commun. 2013, 1538），碳捕获性能优异。该工作为碳捕获材料设计提供了新思路和理论指导，受到国内外同行的普遍关注，沃尔夫化学奖获得者，美国科学院院士O. M. Yaghi教授在《自然》子刊Nature Energy上点评，认为“单分子阱”是二氧化碳捕获的完美分子口袋，是设计碳捕获材料的良好策略，极具前瞻性。结合理论计算与实验，团队设计制备出多种具有良好二氧化碳吸附分离功效的其他新吸附材料，揭示了构性关系和分离机制，发表了系列论文和专利，并应邀为化学化工领域顶极评论期刊Chemical Reviews撰写题名为“CO₂ Capture and Separations Using MOFs: Computational and Experimental Studies”的专题综述（Chem. Rev. 2017, 9674）。另一方面，将二氧化碳催化转化为甲烷、甲醇、乙醇等燃料或甲酸、乙烯、聚合物等化工原料或精细化学品有望变废为宝。团队在构性机理剖析基础上设计制备了系列新型多孔光催化剂，借助光能等降低反应活化能，实现了二氧化碳的高效转化，相关研究结果发表在Green Chem. Eng., Appl. Catal. B: Environ., Chem. Eng. J.等期刊上，并申请了专利。
开发能源革新相关新材料
支撑清洁能源新技术发展
实现碳中和目标，需逐渐减少煤、石油等传统化石能源的使用，大力发展氢能等清洁能源。在此背景下，清洁能源应用相关材料的研发具有重要意义。质子交换膜是氢燃料电池中的关键组成部分，但目前商用膜材料存在性能易受环境影响的问题。团队创新地提出“自适应”机理，为设计开发新型先进质子导电材料提供了新思路和理论指导。设计制备的一种具有柔性结构的金属-有机多孔材料质子导电率高达0.127 S/cm，且该材料的质子导电率受温度和湿度的影响较其他材料小很多，具有实用价值。相关结果以封面文章发表在《自然》子刊Nature Energy（2017, 877）上。国际知名专家G. Shimizu教授在该期刊进行了专题评论，认为该工作“不但实现了一个材料的高质子导电，而且阐明了一个基本概念”。另一方面，光电化学分解水技术为生产清洁且可再生的氢能提供了新途径，但提高光电转换效率仍极具挑战。利用金属-有机多孔材料的可诱导生长的特性，制备出系列复合材料，对光电分解水反应表现出良好的催化活性和稳定性，揭示了构性机理，也证实这些具有多级结构的复合物作为电容材料在储能应用上较粉体无序电极材料具有显著优势，相关结果发表在J. Mater. Chem. A, ACS Energy Lett., Adv. Energy Mater., Small, Appl. Catal. B: Environ.等期刊上。这些研究为新能源的发展提供了理论基础和材料支撑。
使用新材料介质强化过程
深耕化工过程绿色化降能耗
基于新材料介质的使用进行化工过程强化，能够极大降低能耗并实现过程绿色化，降低碳排放，保护环境。分离是化学产品工业生产的重要环节，蒸馏、萃取等传统分离技术普遍存在能耗高的问题。据统计，全球每年工业分离过程所消耗能量占全球总能量消耗的10%~15%。发展先进绿色分离技术，在生产燃料、塑料等大宗产品的过程中节约能耗，有助于缓解全球的能源紧张局势，降低污染，减少二氧化碳排放。吸附分离和膜分离在很多分离体系中相对其他技术更节能高效，而这两种技术的核心是吸附材料和膜材料的选择。基于分子化学工程理念，团队筛选/创制出系列金属-有机多孔材料，用于乙烯和乙炔、丙烯和丙炔、丙烯和丙烷等低碳烃的吸附分离，功效良好，并研究了材料构效关系和吸附分离机理，相关结果发表在J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Chem. Commun.等上并申请了专利。应邀撰写了多篇主题为“MOFs for Separations”的综述文章（Chem. Rev. 2013, 8261, Chem. Rev. 2012, 869, Chem. Soc. Rev. 2009, 1477），受到广泛关注，推动了相关领域的发展。在膜分离方面，基于“金属配位诱导”原理，提出了基于金属-有机多孔材料的杂化膜和晶态薄膜的制备新方法，实现了膜结构和性能的有效调控，解决了杂化膜中多相易团聚和兼容性差的科学难题，制备出多种高性能分离膜，极具应用前景。相关结果发表在Angew. Chem., Adv. Mater.等期刊上。这些研究工作为绿色分离技术的发展提供了新材料支撑，并奠定了理论基础。另一方面，新型非均相催化剂用于精细化学品合成，能够提高催化效率，降低能耗，甚至改变工艺使过程更加绿色。金属-有机多孔材料孔表面易进行分子层次的设计，进而引入各种催化活性点，是理想的催化剂。团队设计制备了系列这类催化剂，对重要精细化学品制备相关的环烷烃卤化反应（J. Am. Chem. Soc. 2017, 211）、酯化反应（Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 8388）、Heck反应（ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 2103）、醛加氢反应（ChemSusChem 2020, 205）、碳-碳偶联反应（J. Am. Chem. Soc. 2020, 13491）等表现出高效且稳定的催化性能，极具应用价值。
着力污染物检测与去除
发展环境保护
与食品安全技术
一些有毒有害有机物进入环境或食物链中，对环境和人类产生极大危害。研究有机污染物检测与去除意义重大，开发新材料并发展相关技术一直受到普遍关注。例如，常见的挥发性有机化合物（VOC，如苯等）是大气污染的主要元凶之一。团队系统地评价了金属-有机多孔材料对苯系物的吸附去除功效，揭示了结构性能关系并阐明了吸附机制，进而设计合成了几种新材料，对空气中痕量苯系物表现出优异的吸附去除性能，综合吸附能力优于已有报道的所有吸附剂，相关结果发表在Cell姊妹刊Chem上（Chem 2018, 1911）。近期，也开展了臭氧降解去除的相关研究，取得了一些有意义的结果，可望助解臭氧防控这一“十四五”大气环境治理的新难题。这些研究结果对相关基础研究具有借鉴指导意义，发展的新材料与技术在大气污染防控中具有潜在应用价值。另一方面，我国水污染问题也很严重。团队筛选并设计合成了多种高稳定金属-有机多孔材料，用于水中有机污染物检测与去除，性能优异。例如，设计制备的BUT-12和BUT-13对水中抗生素分子具有很好的荧光检测和吸附去除能力（J. Am. Chem. Soc. 2016, 6204，他引800余次，多次入选ESI全球TOP 0.1%热点论文）。这一工作开拓了这类新材料在污水处理中的应用探索。此外，也设计构筑出一种具有合适孔尺寸的金属-有机多孔材料，对号称“世纪之毒”的二噁英表现出优异的选择性吸附和荧光检测能力，具有潜在应用价值（Nature Commun. 2019, 3861）。还制备了可变色的金属-有机多孔材料，可快速高效且具有选择性地检测和吸附去除水中的有机胺分子。有机污染物也容易进入食物链，导致食品安全问题。团队设计合成的多种金属-有机多孔材料可有效地检测或去除食品中可能存在的兽药、饲料添加剂、瘦肉精、有机砷药物分子等，相关结果发表在J. Hazard. Mater., Environ. Sci. Nano等期刊上。也就相关主题在Chemical Reviews上发表了题名为“MOFs for Food Safety”的综述文章（Chem. Rev. 2019, 10638）。
未来，团队将继续围绕绿色、节能、低碳、环保深入探索并开发新材料、优化性能、强化过程、推进其应用。夯实基础，守正笃新，久久为功，为国家早日实现碳达峰、碳中和宏伟目标贡献绵薄之力。
团队部分师生合影
团队部分获奖证书
李建荣教授获“亚洲杰出科研工作者和工程师奖”
李建荣教授2017-2020年
入选科睿唯安“全球高被引学者”
Nature Energy, JACS, Small期刊封面论文
