——记江南大学化学与材料工程学院教授焦星辰及其科研团队

人类社会的进步离不开能源，工业革命以来化石燃料的大量使用为人类进步做出不可磨灭的贡献，但也导致以二氧化碳（CO2）为代表的大量温室气体的排放，导致了全球变暖、海洋酸化等全球性问题。据统计，2023年全球CO2排放量继续增加，达到创纪录的358亿吨，未来的碳排放在《巴黎协定》的有限预算框架下无疑将面临更严峻的限制。因此，无论是在国家层面还是在国际层面，CO2的减排都已成为具有重大战略意义的目标。

2021年10月，相关意见中明确提到加强绿色低碳重大科技攻关和推广应用的目标，同时推进规模化碳捕集利用与封存技术研发、示范和产业化应用。近几年CO2捕集、利用与封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，简称CCUS)的概念在中美等大国的提倡下逐渐被世界各国接受。CCUS即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中进行封存或循环再利用。其中CO2封存技术是指通过工程技术手段将捕集的CO2注入深部地质储层等封闭空间，实现CO2与大气长期隔绝的方法，这一类方法往往存在能耗过大，易造成二次污染等问题。

焦星辰教授(左一)指导学生实验

为响应国家号召，解决切实社会问题，开展低碳零碳负碳新材料、新技术、新装备的研究迫在眉睫。近几年CO2的转化技术由于具有能耗低和成本低等优势被广泛研究。高效的催化转化离不开合适的催化剂，低维固体纳米材料因其独特的物理化学性质而备受科学界的广泛关注。低维固体纳米材料是指材料中至少有一个维度下降到纳米尺度的一类新型功能材料。目前，焦星辰教授课题组围绕新型低维固体纳米材料开展多项工作，他们主要致力于材料的结构设计和生长控制、电子结构的精准调控、先进技术表征及其能源与环境催化的应用研究。近年来，他们积极开发材料制备新技术，并揭示材料的微观结构和宏观光还原CO2性能的构效关系，取得了丰硕成果。

开拓创新实现解决方案

基于以上研究背景，焦星辰教授及其团队积极探索设计用于高效催化的低维度材料，主要形成了以下三个具体方向：（1）低维固体材料可控制备。通过自下而上或者自上而下的湿化学法可控制备直径、长度或者厚度均匀的低维固体材料。同时通过缺陷工程、掺杂工程、异质结工程等调控低维固体材料的电子结构，进一步提升低维固体材料的本征性质；（2）低维固体材料有序组装体。对于既定的低维固体材料基元，借助不限于气-液界面组装技术构筑高度有序的单层阵列和三维通道等结构组装体，通过同时优化组装体的热力学和动力学，而达到组装基元在能源转化领域性能增益的目的；（3）低维固体材料能源与环境催化。将制备的低维固体材料进行能源与环境方面的应用探索，旨在实现温和条件下能源小分子以及废弃塑料催化转化制高附加值燃料的性能。

学生开展低维度固体材料制备实验

目前焦星辰教授共发表学术论文40余篇，包括Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国内外高水平期刊，独立编写英文专著1部。主持科技部国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金特别资助（站前）、中国博士后基金面上项目、中国科学院特别研究助理资助项目和安徽省自然科学基金等多项省部级基金。获得中国科学院优秀博士学位论文、中国科学院院长优秀奖、博士研究生国家奖学金、硕士研究生国家奖学金、安徽省优秀毕业生等重要奖项。

筚路蓝缕授业育人

焦星辰教授2019年毕业于中国科学技术大学，师从谢毅院士和孙永福教授。自2022年到江南大学任教以来，主讲了本科生《催化化学》、《先进材料化学》和研究生《工程伦理》等课程，收到了学生的热烈好评。实验室建设和研究生的指导更是焦星辰教授的工作重点。建组两年多来，实验室设备从开始的空空如也到现在一应俱全，成员从寥寥几人到初具规模，熬过初期的艰难他们更珍惜当下相对完善的科研环境。目前课题组有博士后1人，在读博士研究生3人，在读硕士研究生19人，他们获得研究生国家奖学金、优秀学生干部、学业一等奖学金等多项荣誉奖项。

团队的丁金钰硕士和杜佩津硕士设计了钯负载的四氧化三钴纳米片用于光还原CO2，产生了乙酸C2产物且产物选择性接近100%，她们又结合同步辐射先进表征手段和理论计算描述了反应过程，阐述了反应机理；此外她们在此基础上又设计了钯负载的五氧化二铌纳米片用于光还原CO2，也大幅提升了C2燃料产物的选择性，为提升高附加值碳质燃料产率及选择性提供了新的思路。团队的吴佳聪硕士和黄菲硕士设计了硫化钴镍和氧化铟复合的纳米片用于还原CO2，相较单独纳米片只能产生CO，复合纳米片由于层间微环境的作用可以产生新产物甲醇，他们结合多种表征手段和理论计算解释了这种转变，说明了合理设计催化剂结构对反应路径的调控作用。团队的李梦倩博士和韩泽群硕士对光还原CO2生成C2产物的现状及难点进行了总结，综述了不同类型催化剂的结构设计对还原过程重要步骤C-C耦合的促进方法。提供了关于设计新型光催化剂、了解催化机制以及将光转化CO2为多碳产品的实际应用要求的建议和展望。

课题组合照（2024年）

一代人有一代人的使命，对于焦星辰教授及团队来说，实现高效的碳质资源转化就是使命。他们将继续守正创新，围绕新型低维固体纳米材料及其应用持续努力，不断培养更多的人才进入碳中和研究领域，为促进碳质资源的高效转化和产业化应用提供智慧和力量，为推动我国及世界的碳中和目标做出贡献。（文/李霞）