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专注攻克MOFs材料宏量生产难关 探寻环境修复领域可持续发展未来

——访北京建筑大学建筑结构与环境修复功能材料北京市重点实验室主任王崇臣教授
2022年04月22日 08:36:33来源:化工仪器网作者:吴吴吴点击:6061
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  2021年联合国环境规划署发布了一份关于地球健康状况的报告——《人与自然和平相处》,报告指出当前地球整面临着气候变化、生物多样性丧失及污染三大危机,人类的知识、独创性、技术和合作迫切需要从改造自然转向改造人类与自然的关系,只有学会与自然和平相处,才能够给当代青年和子孙后代一个可持续发展的未来。
 
  恰逢第53个世界地球日,化工仪器网将目标聚焦于一直致力于为环境保护提供解决方案、积极参与环保活动的厂商与个人,看他们如何通过不懈的努力,为我国的环境保护钻研新技术、开发新产品。
 
  此次访谈化工仪器网特别采访了北京建筑大学建筑结构与环境修复功能材料北京市重点实验室主任王崇臣教授。采访中,王崇臣教授向我们讲述了他在新型环境功能材料方面的研究及成果,并分析了当前中国新型功能材料的研究现状和发展方向。
 
  水污染制约生产生活 MOFs材料环境修复潜力巨大前景向好
 
  水是生命之源,是人类赖以生存与发展的物质基础。随着工业化和和城市化进程加速,水污染形势日趋严峻,特别是近年来各种新污染物的出现,对我国的经济发展和人们的生产生活产生了较大的负面影响,严重威胁着人们的身体健康。
 
  面对着水资源的日益短缺,研究人员开始逐渐将视线转向了水环境的修复上,并开发出了膜技术、Fenton及类Fenton氧化法、光化学催化氧化等技术应用于环境修复领域。在这样的背景下,可用于多种技术并能够有效检测并去除水中污染物的金属-有机骨架材料(MOFs)脱颖而出,成为近年来水处理应用研究的“宠儿”。
 
  “之所以二十多年来一直坚持做MOFs方面的工作并乐此不疲,是因为我从一开始就觉得MOFs在环境修复尤其是水污染控制方面具有非常好的应用前景。”自硕博时期,王崇臣教授就开始了MOFs方面的研究,近些年一直致力于将MOFs基环境功能材料用于水污染物控制。
 
  金属-有机骨架材料(MOFs)是一种有机-无机杂化材料,也被称为多孔配位聚合物,具有多样的结构、超大的比表面积、可控的孔径和拓扑结构、丰富的活性位点。MOFs易于培养单晶,可表征其精准结构,有助于研究其性能与结构之间的构效关系。同时,MOFs的模板特性使其具有可设计性,并可从分子层面对其进行调控从而提高其性能。
 
  在实际工作中,王崇臣教授及其团队开展了MOFs 用于荧光传感检测水中污染物、吸附去除水中有机污染物/重金属、高级氧化(光催化、类Fenton、活化硫酸根自由基等)去除水体污染物及杀菌除藻等方面的基础研究工作,并形成了富有特色的研究方向。
 
  将理论落到实处 攻克MOFs材料低成本宏量生产的技术难关
 
  MOFs作为新型环境功能材料应用于污水控制得到了诸多研究人员的青睐,但MOFs在具体应用中一直面临着材料单次产量低、生产成本高等瓶颈问题。为解决这些问题,王崇臣教授及其团队开始了长期研究并取得了一定成果,攻克了多种MOFs材料低成本宏量生产的技术难关。
 
  王崇臣教授不仅设计合成出了具有超大吸附量的MOFs材料,还充分利用MOFs组件的光学性能,开发出了具有光控吸脱附性能的MOFs材料及其复合物。
 
  “这种MOFs材料只要用光照(太阳光)就能实现吸附剂的脱附再生和重复利用,是一种节能环保的绿色智能吸附剂。
 
  另外,王崇臣教授还将微纳米MOFs材料负载或固定于天然棉纤维、聚丙烯树脂棉、聚氨酯海绵、商业化滤料、陶瓷膜等基质上,将其用于组装连续运行装置,进行高级氧化去除水体中的有机污染物或光催化还原水体中的高价有毒金属(如六价铬)。
 
  到目前为止,王崇臣教授及其团队发表了100多篇高水平研究论文,并得到了同行的广泛关注,单篇论文引用最高达到1200多次,另有多篇论文被认定为基本数据库热点论文(排名前0.1%)和高被引论文(排名前1%)。王崇臣教授也因此入选了斯坦福大学世界排名前2%科学家综合排行榜/单年榜(2020年和2021年)及全球顶尖前10万名科学家排名榜单。
 
  蓬勃发展局势下 我国环境功能材料研发应遵循四大方向
 
  从目前研究状况看,近年来我国环境功能材料相关论文的发表量不断增加,已经进入了蓬勃发展时期。但相当数量的研究仍集中在国际热点上,以实验室层面的材料研发与污染物理论研究为主,针对复杂和实际环境介质中的材料应用研究较为薄弱,处于跟跑状态。
 
  虽然部分研究正在从理论研究向着应用推广过渡,且有些成果已经处于世界领先水平,但我国在高端材料、关键材料、原创性材料的研发规模和整体质量上仍较为落后。此外,目前国内环境功能材料的研究对其与生态和人体健康的关系重视不够,尚未完全建立可持续发展的科学体系。
 
  针对我国环境功能材料现阶段研究中存在的问题,王崇臣教授用“前瞻性”“战略性”“全局性”“系统性”四个特点,概括了我国环境功能材料研发的努力方向。
 
  “前瞻性”,即指加大基础研究力度,夯实基本科学问题、基本研究理论;“战略性”,即基于实际需求集成环境功能材料研究的现有成果,在考虑我国国民经济发展和生态环境实际需求的基础上,逐步建立环境功能材料学科体系;“全局性”,即关注环境功能材料本身对环境和人类健康的影响,不仅研究其性能和功能,还要站在全生命周期的角度对其进行综合评价。环境功能材料在环境中的行为、安全性、次生环境风险、生物毒性效应都应纳入考量范围,从而建立环境功能材料毒理学和生态毒性的评价体系和标准;“系统性”,即加强基础研究、应用研究和工程应用的“产学研用”协同发展,避免出现研究和应用“两张皮”的问题。
 
  近几年,我国将水污染的防治提升到了国家战略的高度,科学系统的研发体系作为生态环境治理体系的重要组成部分,是生态环境治理的基础布局。上述的四大方向不仅仅是针对环境功能材料研发短板提出的解决方案,更是建立科学水环境技术研发系统的“指挥棒”。
 
  守住“绿水” 为了这一代和将来世世代代保护和改善环境
 
  人类既是环境的创造物,又是环境的塑造者,良好的生态环境对人类生存和发展至关重要。面对着越来越严峻的环境形势,联合国《人类环境宣言》更是提出了“为了这一代和将来世世代代保护和改善环境”的口号。
 
  基于当前环保工作的实际需求,王崇臣教授认为环境功能材料的发展应重视环境污染治理问题及资源-环境的协调性,实现高性能环境功能材料的定向开发和精准调控。同时,还应加强研发与新型环境功能材料配套使用的新型装置和设备以及与其对应的新工艺。
 
  “当前,相当数量的新型环境功能材料虽然性能很好,但是制备工艺复杂、单次产量低导致成本高昂,极大地限制了其实用性。在环境功能材料研发领域,我最期待的是低成本、宏量生产材料的新技术可以不断涌现。”
 
  17年前,我国提出了“绿水青山就是金银山”的科学论断。这些年来,以王崇臣教授为代表的科研工作者们步步为营,一直在为了守住这片“绿水”努力着。
 
  “我相信,会有越来越多的同行致力于环境功能材料的宏量生产技术研发,让这些新材料在实际环境保护和环境修复领域发挥其卓越性能,为国家、人民甚至全人类造福!”
 
  人物简介
 
王崇臣教授
 
  王崇臣,男,1974年,汉族,山东临沂人。北京建筑大学教授、博士生导师,担任建筑结构与环境修复功能材料北京市重点实验室主任。入选北京市百千万人才、北京市高创计划百千万领军人才和长城学者。获得北京市高等学校青年教学名师奖。
 
  任Environmental Functional Materials、Chinese Chemical Letter、工业水处理、环境化学等期刊副主编及编委。中国材料研究学会副秘书长/理事、中国化学会高级会员、中国环境科学学会水处理与回用专业委员会委员、中国感光学会光催化委员会委员、中国计量学会室内环境和材料测试分会委员、北京化学会青少年科普委员会副主任、北京环境科学学会科技创新分会副主任委员等。
 
  主要研究领域为新型环境功能材料、水文化。在新型环境功能材料方面,以金属-有机骨架(MOFs)材料为主开展水污染控制方面的研究工作。在MOFs低成本宏量生产、传感检测污染物、吸附去除污染物、高级氧化/还原污染物等方面主持国家自然科学基金、北京自然科学基金等纵向项目10余项。发表代表性论文100余篇,其中多篇ESI高被引论文和热点论文。在水文化方面,承担了北京社科基金重点项目,系统研究了北京地区的水文化遗产及其水文化,举办系列北京水文化遗产展览,相关事迹得到了北京广播电视台、北京晚报等主流媒体的宣传报道。提出中轴线保护与发展应关注水文化与水文化遗产,献言建策得到了北京市主要领导的批示。

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