點水成金 催碳生花——訪國家“千人計劃”特聘專家、天津大學-NIMS聯合研究中心主任葉金花教授

◎ 文/王永現 肖延勝

論文引用率代表了某項成果被同行的認可程度，是衡量一個國家科研文獻被其他國家或機構認可度的標志。十余年間，在Nature,Nature Mater., Phy.Rev.Lett.,Angew.Chem.Int.Ed.等國際著名雜志上發表論文300余篇，同行引用近10000次，其中17篇論文被引超過100次，且單篇論文最高被引超過1200次，H因子達48。這一數據的擁有者是天津大學國家千人計劃引進人才、材料科學與工程學院教授，日本國立物質材料研究機構(NIMS) 環境再生材料研究中心首席研究員、中心主任葉金花。

葉金花是結晶學、材料物理及材料化學領域的著名科學家，在形狀記憶合金、超導材料及物理等諸領域有深厚的造詣。近十余年來，葉金花帶領研究團隊一直從事新型高效半導體光催化材料的開發以及在太陽能轉換和環境凈化方面應用的研究，在新型光催化材料的能帶工程設計、納米調控與組裝等方面取得了多項國際領先的創新性成果，始終處于國際前沿。

解析：神奇的光催化

光催化，一個對于普通大眾來說有些陌生的詞匯，簡單來講就是“利用光的能量催化某種反應的發生過程”。這一過程無需消耗任何其他能源，催化劑的作用至關重要。這些催化劑可稱為光催化劑，或者光觸媒、光催化材料，主要采用半導體材料組成，即半導體光催化材料。

半導體光催化這一研究領域的發展時間并不長，1972年才最早在日本得以確立。40年來應用范圍不斷拓寬，近年已成為國際上最活躍的研究領域之一，特別在解決環境、能源等方面的問題上表現出巨大的應用前景。比如：它可以在不需任何能源輔助的前提下，將水和空氣中的有機污染物降解、分解；可以通過太陽光把水分解制備成氫氣，儲存為氫能，而氫能是目前最清潔、最理想的能源；此外，還能夠模擬自然界的光合作用，并以更高的轉化效率將CO2轉化成碳氫能源，實現自然界的碳循環，達到減排效果的同時，從根本上解決能源問題。

光子轉化效率即載流子激發、輸運及利用效率，是半導體光催化材料的研發必須考慮的首要指標和關鍵因素，這取決于半導體材料的晶體結構及能帶結構。“也就是說，半導體材料的禁帶寬度決定了它能夠吸收利用多少陽光。我們的目標是開發出具有更小禁帶寬度的新型半導體材料，以利用更多的太陽光，進而讓轉化過程更有效地進行。”葉金花解釋說。

轉折：從超導到光催化

中科院江綿恒副院長來訪

中科院白春禮院長來訪

1984年，21歲的葉金花獲得了公派東京大學留學的機會，并于1990年獲得理學博士學位。這之后，她留日工作，就職于日本國立物質材料研究機構(NIMS)（即原日本科學技術廳金屬材料研究所，2001年4月更為現名）至今，已成為該所首席研究員、環境再生材料研究中心主任。

最初，葉金花的研究重點并不在光催化，而是在超導材料的研究和設計方面。短短幾年時間，便建樹頗多。

早在20世紀90年代初，她就建立了YBa2Cu3Ox氧化物高溫超導薄膜中氧含量（可調節超導特性）定量估算的方法，并通過研究發現低溫制膜導致的超導性能下降及氧氣下高溫后處理引起的超導特性改善與陽離子的構造秩序密切相關，闡明了YBa2Cu3Ox薄膜成長機制及產生超導機制。

她還著重開展了“新超導材料PrBa2Cu3Ox的發現及超導機制的研究”，采用改進的TSFZ方法，在世界上首次合成了PrBa2Cu3Ox超導體單晶，并在極限狀態（高壓、低溫）下測定物性，從不同角度探究該物質的超導現象并研究其超導機制。這一研究成果結束了多年來關于PrBa2Cu3Ox是否有超導特性的爭論，且為探索新超導材料及超導機制提供了有益的借鑒。

1999年前后，預見到半導體光催化領域的廣闊前景，葉金花逐漸將研究重心向這一領域轉移，把在氧化物超導材料領域所獲得的結晶物理學材料設計手法、經驗、知識等應用于光催化領域，開發可見光活性的新型光催化材料，并將其成功應用于光解水制氫和降解有害物。

她與南京大學鄒志剛教授開展合作研究，于2001年在世界上首次發現可見光下分解純水的新型光催化材料In1-xNixTaO4，并應用于光解水制氫，相關成果發表于當年12月份的Nature上。這種新型的可見光響應型氧化物半導體光催化材料的重要特征是，摻入的雜質原子可以形成新的電子能級，在光的激發下成為光活性中心。盡管該材料的光子轉化效率尚不足1%，但因其首創性和重要性，仍在國際上引起廣泛關注，至今論文已被引用超過1200次。

隨后他們又成功開發出一系列在更寬可見光領域（至600nm）仍然具有光催化活性的光催化劑，以及能夠高效降解甲醛、乙醛、亞甲基藍、H2S等有害物的光催化劑，在日本已經申請9項專利。在這些成果的基礎上，葉金花課題組積極探尋具有低有效質量光生電子的材料體系，于2010年成功開發出迄今為止在可見光下分解水產生氧氣光子轉化效率最高的光催化材料Ag3PO4，其光解水產氧的太陽能轉換效率達到約6%。

關鍵：提升轉化效率

半導體人工光合成CO2能源化，是光催化在能源利用領域的另一重要應用，轉化效率低，是制約光催化能源利用的最大障礙。“盡管這一領域的應用前景非常廣闊，但要真正做到技術應用、投入市場，至少要把目前的轉化效率提高十倍以上。”葉金花說。

在實驗室(NHK電視元旦特輯截圖)

現在，世界各國都已經認識到了這一癥結所在，制定了具體的研究目標，并不惜投入大量的人力、財力。美國Helios研究計劃于2018年將CO2能源化的太陽能轉換效率提高到1%；美國人工光合成聯合研究中心計劃2019年將人工光合成的效率提高到植物的10倍；日本也已投入了十億日元的資金推動相關研究的進展。

面對激烈的國際競爭形勢，我國的科學家并沒有退縮，一直在積極參與。開發具有高轉化效率的光催化材料，大幅提高太陽能利用，是葉金花和同行們正在攻關的難點。近兩年來，葉金花課題組圍繞轉化效率的提升，在人工光合成CO2能源化領域做了大量創新性工作，開發出多個新型高效的CO2光化學轉化納米材料——具有紫外光活性的ZnGa2O4、Zn2GeO4等介孔材料；具有可見光活性的Zn2GeO4-xNx介孔材料，使CO2轉化為甲烷燃料的效率得到顯著提高；超細W18O49納米線，利用晶體結構中的大量氧缺陷，實現了可見光照射下的高效CO2光還原。

為了匯聚更豐富資源，從更高層面推動相關研究的進步，葉金花牽頭向科技部提出了“基于半導體人工光合成的二氧化碳能源化研究”項目的申請，已于今年得到批準。作為項目負責人和首席科學家，葉金花將帶領整個研究團隊為了達到“未來5年實現超過自然光合成10倍以上的CO2能源化效率（太陽能轉換效率5%以上）”的目標而不懈努力。

通過本項目的實施，預期在半導體光化學研究領域獲得重大理論和技術突破，解決利用太陽能和水將CO2轉換和儲存為碳氫化合物能源的關鍵科學問題；開發出新一代高效的太陽能化學轉換材料體系，實現人工光合成技術在能源和環境領域的應用、解決國家重大的可再生能源需求；取得若干具有我國自主知識產權的、在太陽能應用領域處于國際領先水平的原創性研究成果，提升我國在太陽能利用領域的自主創新能力和國際競爭力。

葉金花說，如果上述目標能實現，則每平方米土地每年可獲得化學能2.7×105千焦耳（等同于9.2公斤標準煤的熱值），可將14.8公斤CO2轉化為5.4公斤甲烷。我國荒漠化國土面積占27%，哪怕僅將1%的荒漠化土地用于人工光合成，也會產生相當于2.38億噸標準煤的能量，約為我國煤年產量的8%，可謂潛力巨大。

天津大學-NMIS聯合研究中心Board Meeting合影

拼搏：堅守一生的事業

經過多年發展，我國在光催化領域取得了長足的進步。“從‘量’的方面來講，我們已是世界領先，下一步要做的是在‘質’上提升，吸引、凝聚更多的優秀年輕人才投入到這一領域，共同推動我國整體研究質量的提升。”

在日本學習、工作近30年，葉金花并沒有改變自己的國籍，“中國人”是她在科研工作中最顯著的標簽之一，對于中國科技和教育事業的發展，始終保持關注。在日工作期間，她充分利用自己在日本的資源和平臺，招收、培養了多名中國留學生，甚至博士后，努力為更多的中國年輕學者提供學習和成長的機會。本世紀初，開始致力于國內科研教育事業，與國內高校積極開展合作，2005年入選教育部長江學者獎勵計劃講座教授，在南京大學進行講座授課，2010年入選中組部國家千人計劃，正式加盟天津大學。

2011年9月，由葉金花策劃及全力推進的中國天津大學—日本國立物質材料研究機構(NIMS)正式成立，葉金花出任主任。這是日本國立物質材料研究機構(NIMS)在海外建立的第一個具有實質合作性質的聯合研究機構，將在能源和環境先進功能材料的研究開發和利用方面開展合作，并致力于建設成為具有國際領先水準的材料科學研究和人才培養中心。“這將是一個更大的平臺，為更多的年輕人提供機會。”

TU-NIMS聯合研究中心成立儀式

經過兩年的建設和發展，中心各項工作已步入正軌，匯聚了一大批國內外相關領域的優秀專家，潛心于光催化材料、金屬催化材料、介孔材料、巖土材料這四種關鍵材料的研發。在他們的世界里，困難是家常便飯，“每天都在解決問題，每天又都會遇到新的難題”。除了一分耕耘一分收獲，運氣也很重要，“每天都在努力，但99%是失敗的，幸運的話，那1%會有可能開發出一個新材料。”為了那1%的可能性，他們從未停止努力，“一直長在實驗室，不停地動手，不停地合成、測試……”光榮在于平淡，艱巨在于漫長。基礎研究工作，就是這樣一個光榮而艱苦的過程。

“認真做事情，嚴謹做事情。要么不做，做就做到最好。”遵循著這樸素的信念，葉金花和她的團隊始終奮斗在光催化研究的征程上。注定艱苦，更或許漫長，但已立志一生去拼搏與堅守。我們期待著點水成金、催碳生花的那一天早日到來。