作者:孙丹宁 来源: 中国科学报 发布时间:2023/4/11 8:59:55
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邓德会:爱做梦的催化界“铠甲勇士”

邓德会在实验室工作。受访者供图

■本报见习记者 孙丹宁

凌晨三点,昏暗的房间里闪烁着斑驳的光。

邓德会突然从床上坐起来,认真思索片刻后立马从床边翻出一个小本子,认认真真地记录着。

“昨天晚上我做了个梦,梦到电催化方向的一个新想法。这不,今天一早,我立马就与组里同事和学生一起讨论。”邓德会在接受记者采访时笑着说。

随身携带的本子见证了邓德会的每一次“突发奇想”,也陪他度过了悠悠研究岁月。如今,攻克多项学术难题、专注给催化剂穿“铠甲”的邓德会,即将迈入不惑之年。

“我觉得科研人员就是要敢想敢干,这样才能取得创新性成果。”中科院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)研究员邓德会告诉《中国科学报》。接下来的科研生涯,他的目标就是让每一个“科研梦”成真。

兴趣指引的“幻想家”

1984年,邓德会出生于河南省新蔡县一个农民家庭。

家庭的拮据让邓德会在上高中之前连县城都很少去,就蜗居在这小小的一方天地中。

但在他很小的时候,周围人就对科学家十分崇拜。他常常畅想:如果成为一名科学家,会做出怎样有意义的事情呢?

小学放假的时候,邓德会去一所中学看望在那儿工作的爷爷。在那里,他似乎找到了答案。

有一天,他偶然闯入了学校的一个废弃实验室,里面的很多瓶瓶罐罐一下子吸引了他的目光。弯弯曲曲的冷凝管像弹簧一样、圆肚细颈的烧瓶在试验台上静静地立着……这些废旧仪器仿佛打开了一个光怪陆离的新世界,让邓德会第一次知道了“化学”这个词。没过多久,上初中的他正式接触到了化学,从此深深喜欢上了这门学科。

除了日常的理论学习,邓德会还特别喜欢“动手”。他乐呵呵地向记者讲述了一件“傻事”:“我之前很喜欢玩泥巴。有一次,我看见电热炉外面是一个硬壳,里面有一圈蜘蛛网一样的电热丝,我就想能不能自己做一个。于是,我就用泥巴做了一个框架,中间盘上一圈圈铁丝,然后用火烧泥巴将铁丝固定住。结果刚一通电,家里的灯全灭了,电路短路了。”

虽然这是一次失败的尝试,但却激发了邓德会的动手兴趣。他有时会把收音机拆开再组装,自行车也被拆装了很多遍。他每次都认真琢磨其中的原理。

转眼间到了大学,邓德会以优异的成绩考入四川大学。他选择了一门动手能力很强的学科——轻化工程,开始学习皮革制造等课程。

大三时,邓德会遇到了两件对他研究生涯影响很大的事。第一件就是辅修了与本专业完全不同方向的学科课程——国民经济管理。

“在学有余力的情况下,我很想多学一点东西丰富自己的知识领域。”邓德会说。这两个截然不同的学科课程,为他后来的研究提供了很多帮助。

“轻化工程就是通过化学、物理和机械的方法研究各类轻化工产品的生产和加工,这为我从事多相催化领域的研究奠定了基础。国民经济管理则让我接触到了很多与经济、财务、管理等相关的知识,教会了我如何与别人合作交流及带领团队开展科研。”邓德会说。

第二件事,就是提前进入研究组开展更深层次的科学研究。

“当时我有一个师兄,本科期间就在国际著名刊物上发表过论文,展示自己的科研成果,这引起了我的强烈兴趣。因此,在大三那年,我就争取机会进入四川大学石碧院士和廖学品教授的课题组。”邓德会说。

“石老师和廖老师对本科生和研究生一视同仁,按照研究生的培养模式教导我们本科生。”一年时间很快过去了,邓德会的研究进展十分顺利。他围绕本科期间的研究工作接连发表了4篇SCI(科学引文索引)论文,取得了重要的研究成果。

在这期间,邓德会利用动物皮里的胶原纤维作为模板制作一些多孔碳材料或金属氧化物,并发现这些材料比较适合做催化剂。因此,在保研的时候,邓德会毫不犹豫地选择了大连化物所,师从包信和院士和潘秀莲研究员,专门从事催化化学相关研究。

在进入大连化物所学习和工作的十余年里,邓德会在2017年组建了创新特区研究组,并于2021年顺利转为正式组,目前担任大连化物所能源与环境小分子催化研究组组长。

给催化剂穿“铠甲”

提起到目前为止做的最满意的一项研究,邓德会不假思索地给出答案——“铠甲催化”。

催化在现代化学工业中占据重要地位,直接或间接贡献了全球国内生产总值的20%~30%。在催化反应中,催化剂发挥着至关重要的作用,而催化剂的本质就是改变化学反应的速率。

“许多催化剂会用贵金属作为原材料,比如用作女士项链的铂金材料,但是这些贵金属储量低、成本高。如何降低成本并提高稳定性,这对催化剂的实际应用至关重要。”邓德会说。

要解决上述问题,他的团队首先想到的是利用廉价催化剂,如铁、钴、镍等便宜、易得的原料替代贵金属。但非贵金属催化剂存在的一个很大问题是,在苛刻反应条件下稳定性较差、寿命较短。那么,如何才能使其适用于强酸、强碱及高的过电位等苛刻的反应条件呢?

“在研究过程中,我们发现可以利用二维材料独特的结构和电子特性来设计催化剂,使其具有优异的催化性能。”邓德会告诉《中国科学报》。

二维材料如单层的石墨烯,厚度仅是一张普通打印纸的三十万分之一。但在二维方向上,它是无限延伸的,不仅具有高柔韧性,还能抗腐蚀。如果能用石墨烯等抗腐蚀的二维材料作为“铠甲”,将不稳定的非贵金属严严实实封装起来,那么非贵金属遇到的稳定性问题将迎刃而解。

但是,催化剂中的金属颗粒小到纳米尺寸,石墨烯很难直接将其严丝合缝地封装起来。因此,团队想到了先做出非贵金属的纳米颗粒,然后通过化学气相沉积的方法将石墨烯覆盖在纳米颗粒的表面。

“就像在人身上织毛衣一样,人先站在这里,再围绕他一点点把毛线织上去。”邓德会解释说,“石墨烯就像是勇士身上穿的‘铠甲’,一方面可以保护里面的非贵金属免遭腐蚀,另一方面封装后的催化剂仍然具有活性。类似于‘隔山打牛’,有更多的电子可以从里面的金属转移到‘铠甲’的表面,让原先惰性的‘铠甲’有了催化活性,可以发生催化反应,解决了传统非贵金属稳定性差和活性低的双重挑战。”

邓德会和包信和团队于2013年在国际上率先提出“铠甲催化”这一概念,并不断对其进行完善和应用拓展。近些年,团队成功将铠甲催化应用于电解水等体系,解决了苛刻条件下非贵金属催化剂稳定性差的难题。基于此,团队开发出大电流密度、低能耗电解水制氢、制氧系统,已成功研制出250千瓦级高效电解水设备,并实现成果落地转化,有望助力我国大规模绿色氢能源和生命健康等产业的发展。

“希望学生水平超过我”

接连斩获重要研究成果,邓德会倍感欣慰。他终于成为童年时心目中最厉害的人,也拥有了60余人的科研团队。从茁壮成长的树苗转变成培育学生的园丁,这背后离不开老师的教导。

在四川大学读书时,专注于皮革研究的石碧院士一直鼓励邓德会做有用的科研,加强动手能力。在大连化物所读博期间,主攻催化基础研究的包信和院士经常告诫邓德会要做原创的科研、做“从0到1”的研究。在厦门大学工作期间,田中群院士教会了邓德会要注重合作,尤其是“强强联合”,要与高手过招。而在美国斯坦福大学的访问学者经历,让邓德会从戴宏杰院士那里学习到了科研合作伙伴相互支持的重要性。

“这几位老师尽管风格不同,但对待科研执着、认真的精神都是一样的,在做人、做事上一直都是我学习的榜样。他们除了教会我许多科研上的知识,还让我在团队管理上形成了自己的模式。”邓德会告诉《中国科学报》。

勇于创新、敢作敢为、加强合作……成为邓德会管理团队和指导学生的“秘密武器”。

在邓德会团队里,面向国家“双碳”目标,开展能源小分子高效催化转化研究是主攻方向。“要先确定大树的根基,才能在上面长出新的叶子。”邓德会说。

而在科学研究过程中,团队氛围是相对自由的。对于新入学的学生,邓德会一般会在两周之内根据学生的专业和兴趣,并结合个人的特点给出建议,帮学生找准研究方向,让他们做自己真正喜欢的科研。

提及未来的期望,邓德会希望能在能源小分子方向上取得更大突破,尽可能解决人类面临的能源和环境问题。同时,他也期待桃李满天下,学生在科研上有所建树,甚至“希望学生水平超过我”。

《中国科学报》 (2023-04-11 第1版 要闻)
 
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