【北京日報(bào)】過濾霧霾
發(fā)布日期：2019-05-30 供稿：北京日報(bào) 編輯：吳楠 審核：王征 閱讀次數(shù)：
原文標(biāo)題：過濾霧霾
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從回國的那一年起，王博就開始研究金屬有機(jī)框架材料MOF。他笑稱，這是一場長達(dá)8年的“抗戰(zhàn)”，而且還沒有結(jié)束。
MOF的全稱是Metal-Organic Framework。MOF是一種多孔結(jié)晶材料，由有機(jī)骨架和金屬離子組成，它可以通過靜電吸附作用實(shí)現(xiàn)對大量細(xì)微顆粒物的捕獲。據(jù)預(yù)測，MOF有望成為21世紀(jì)的決定性材料，其廣泛應(yīng)用將如同今天的塑料。
這8年王博所做的，就是為市民發(fā)明一種MOF膜，過濾PM2.5以及各種污染物。目前，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的完全自主知識產(chǎn)權(quán)高效能過濾材料已經(jīng)產(chǎn)品化，在空氣凈化
科技之星
王 博
北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授、執(zhí)行院長，“北京青年五四獎(jiǎng)?wù)隆鲍@得者。他長期從事MOF材料研究，率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)解決了環(huán)保領(lǐng)域若干“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)難題，所研發(fā)的第二代MOF能過濾PM2.5、殺菌、分解臭氧，已被應(yīng)用于空氣凈化器、新風(fēng)系統(tǒng)等，為首都環(huán)保事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。
織一張能過濾空氣的“網(wǎng)”
王博是北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授、執(zhí)行院長，研究MOF這種凈化空氣新材料已經(jīng)8年。
接觸MOF，還要從他讀書時(shí)說起。這個(gè)別人眼中的“學(xué)霸”，其實(shí)從小的理想是當(dāng)一名物理學(xué)家，只因高考時(shí)“誤打誤撞”被免試保送至北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院。2004年王博本科畢業(yè)，前往國外學(xué)習(xí)。那時(shí)，第一代MOF已經(jīng)工業(yè)化量產(chǎn)，用來儲存氫氣和天然氣。王博便跟著導(dǎo)師研究第二代MOF——目的是用它吸附空氣中的有毒有害氣體。
“MOF的精準(zhǔn)之處就在于它表面的孔特別多，甚至可以調(diào)控到零點(diǎn)幾納米一個(gè)孔。如果把里面的孔全部剖開，1克的材料能鋪展8000平方米，可覆蓋一整個(gè)足球場。”說起MOF，王博打開了話匣子，“也是利用這一點(diǎn)，可以把空氣中有毒有害物質(zhì)逐一捕捉出來，相當(dāng)于織一張非常精密的納米‘網(wǎng)’，把空氣中氣相的、液相的、固相的污染物‘一網(wǎng)打盡’。”
2008年，提前博士畢業(yè)的王博本想投身學(xué)術(shù)界，導(dǎo)師卻勸他，“如果你的東西能去往工業(yè)界，變成產(chǎn)品，就可以讓每個(gè)人的生活好那么一點(diǎn)點(diǎn)。”
就這樣，王博去了一家企業(yè)，從事MOF材料的大批量生產(chǎn)。不過他并沒有呆太久。“在國外工作時(shí)我經(jīng)常會想，如果自己所取得的科研成果在國內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化應(yīng)用，會不會給國家的發(fā)展注入一些新鮮的血液呢？”2011年，為了追求更自由的科研，王博放棄了企業(yè)的優(yōu)厚待遇，到北京理工大學(xué)搞起了學(xué)術(shù)。
那時(shí)候，國內(nèi)的空氣質(zhì)量不好，“霧霾鎖城”的新聞經(jīng)常出現(xiàn)在媒體上。有一段時(shí)間，王博兩歲的女兒總咳嗽，老往醫(yī)院跑，妻子還一度埋怨他，“你研究的東西就不能接點(diǎn)地氣兒嗎？”
同一年，王博參加了一個(gè)有關(guān)MOF材料的重大研究項(xiàng)目。在一次項(xiàng)目評審會上，一位專家指了指窗外問他：“這個(gè)材料對有毒有害氣體的吸附能力很強(qiáng)，但普通老百姓一生中能有多大概率碰到沙林、芥子氣等毒氣呢？”
窗外，正是一個(gè)霧霾天，許多人戴著口罩匆匆而過。那時(shí)我國市場上防霧霾口罩和凈化器中最核心的功能部件——高效空氣過濾材料，幾乎全部來自美國、日本等，國貨寥寥無幾。
“研究變成產(chǎn)品，就可以讓每個(gè)人的生活好那么一點(diǎn)點(diǎn)。”王博再次想起了導(dǎo)師的那句話。
用電熨斗把MOF材料熨燙成膜
王博把目光瞄向了國內(nèi)產(chǎn)能幾乎為零的高效濾芯市場。
“霧霾早期呈弱酸性，本質(zhì)上是固體顆粒、揮發(fā)性有機(jī)物、無機(jī)硫酸、硝酸鹽和水。”王博說，這個(gè)挑戰(zhàn)不小。以相對簡單的空氣各組分為例，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物只有百分之零點(diǎn)幾，甚至十萬分之幾，怎么能從一堆氣體里面把所要的分子抓出來？
為此，王博和團(tuán)隊(duì)成員一是通過MOF材料的孔來篩選，保證讓比孔大的分子進(jìn)不來，和孔的形狀不一樣的分子也進(jìn)不來；二是在孔內(nèi)修飾一些不同的官能團(tuán)（決定有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)的原子或原子團(tuán)）。“舉例來說，PM2.5是中性偏酸的，那我們就裝一些偏堿的元素，酸堿一中和，吸附能力就很強(qiáng)。”這兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以后，王博和團(tuán)隊(duì)成員就解決了空氣中有毒有害成分的吸附問題。
接著新的問題又來了。MOF的原本狀態(tài)是粉末狀的，而且易碎，難加工、難成型，有害氣體不會那么“聽話”，如果來不及被MOF吸附，就會通過顆粒之間的空隙被人體吸進(jìn)去。
2014年底，課題組成員開會討論：如何在不使用溶劑的情況下讓原子、分子“手拉手”，不給有害顆粒留空隙？能不能通過施加壓力和溫度等物理手段來直接合成MOF材料，讓它在基底材料上“長”成一層薄薄的膜？
“有沒有一種東西，能給它加熱又加壓？”面對復(fù)雜的問題，王博用通俗的方式啟發(fā)學(xué)生，“就是類似攤煎餅果子，你們回去想一想。”
寒假過后，課題組里一名大二學(xué)生來到王博面前，“王老師，我特意去看了煎餅攤，咱們可以試一試。”
“你的這個(gè)想法很大膽，但是我們總不能把一個(gè)煎餅攤擺在實(shí)驗(yàn)室吧，占地大，有安全風(fēng)險(xiǎn)。而且它質(zhì)地粗糙，沒法保證把MOF鋪得均勻平整，無法從上方加壓，加工精度必然不高。還有沒有更加便攜和方便操作的器材？”王博沒有嘲笑這名學(xué)生，而是順著他的思維，啟發(fā)他繼續(xù)探究更好的方法。
“電餅鐺怎么樣？不僅小，能把MOF均勻分散，還可以雙向加壓加熱。”這名學(xué)生再次發(fā)揮了“吃貨”精神。“那你就弄一個(gè)電餅鐺吧，先試試看。”王博鼓勵(lì)道。
至繁歸于至簡。學(xué)生們經(jīng)過多次討論，選擇了另一個(gè)更為小巧、便宜、可控的工具——老式電熨斗，這完全符合平整、加熱、加壓這些實(shí)驗(yàn)要求。大家經(jīng)過不斷嘗試，終于成功地將MOF材料在鋁箔、布匹、玻璃和金屬網(wǎng)等各種基底上熨燙成膜，精細(xì)度甚至達(dá)到一根絲上可以粘附50納米MOF材料，如此一來，薄膜就像“長”在基底上，附著堅(jiān)固，打磨不掉。
對PM2.5濾除率超過99%
闖入實(shí)驗(yàn)室的電熨斗讓王博團(tuán)隊(duì)解決了當(dāng)務(wù)之急。王博信心滿滿，本以為這種聚合材料的方法可以擴(kuò)展到所有MOF體系的研究中，后來實(shí)踐卻證明，一些超高穩(wěn)定、耐酸、耐堿的MOF，就是做不出來。
王博猜測是某個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，他親自“督戰(zhàn)”，試了上百次。經(jīng)過多次嘗試發(fā)現(xiàn)，原來是有競爭反應(yīng)。一旦控制不好，MOF上會“長”出其他副產(chǎn)物。但實(shí)驗(yàn)也表明，同樣的條件可以做聚合，前提是避免與空氣中的水發(fā)生反應(yīng)。總的來說，一是加熱不宜過快，二是要與水隔離。
這個(gè)小挫折引導(dǎo)王博發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更新的方法，能讓MOF膜的韌度和性能比以前好。“不是要躲避水的干擾嗎？那我就用油把它包起來。”又是一個(gè)“四兩撥千斤”的方法，沒用其他的高成本材料，王博用一層薄薄的油層包在上面，保證水進(jìn)不去。
“我在大學(xué)時(shí)曾經(jīng)因?yàn)橐淮螌?shí)驗(yàn)失敗很沮喪，就跟導(dǎo)師抱怨。結(jié)果導(dǎo)師反問我，你做夠100組反應(yīng)了嗎？如果100組還不行，那就嘗試1000組、10000組，總會成功一次的。”王博明白，有時(shí)候多做一點(diǎn)點(diǎn)，可能真會絕處逢生。
2017年初，王博團(tuán)隊(duì)關(guān)于MOF材料應(yīng)用于空氣過濾凈化的研究論文，被國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature》撰文報(bào)道。其中提到，室溫下該材料對于PM2.5的濾除率超過99%。報(bào)道一出，引發(fā)巨大關(guān)注，一些人對99%的濾除率有點(diǎn)不相信。殊不知，這個(gè)數(shù)字是成千上萬次的實(shí)驗(yàn)測出來的，也是王博團(tuán)隊(duì)持續(xù)多年的重復(fù)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論。
王博解釋，PM2.5不是穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)，它每天每個(gè)時(shí)刻都不一樣，組分也在變。所以他們的實(shí)驗(yàn)分為兩部分，一方面是穩(wěn)態(tài)條件下的測試，拿香煙模擬霧霾。“因?yàn)楫?dāng)時(shí)我國空氣凈化器廠商的檢測標(biāo)準(zhǔn)大多是拿香煙模擬測試，但香煙檢測的最大問題是燒得太快，就必須不停地往里續(xù)香煙。”王博說，后來他們學(xué)習(xí)國外大氣治理研究中的一個(gè)方法，用檀香。即便這樣做，模擬出的環(huán)境仍然不是最真實(shí)的。
于是，很長一段時(shí)間王博和團(tuán)隊(duì)成員都在“等霾來”。每當(dāng)霧霾天來臨，他們就用管式風(fēng)扇從外面抽風(fēng)進(jìn)來，中間放一層膜，就這樣連續(xù)測。王博說，兩三年的時(shí)間里，大家的心情都由天氣決定，有時(shí)候是“太好了，霧霾來了，又可以做實(shí)驗(yàn)了”，或者是“糟糕，風(fēng)來了，我的數(shù)據(jù)還沒采集完，這次實(shí)驗(yàn)又做不完了”。正因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是從源頭出發(fā)，測出的結(jié)果才非常接近真實(shí)環(huán)境。
但畢竟看“天”做實(shí)驗(yàn)太被動，2016年王博和團(tuán)隊(duì)成員做了一套模擬仿真系統(tǒng)，模擬北京的大氣狀況，并提前“算”出來相應(yīng)大氣條件下適用的材料應(yīng)該具備什么樣的性能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，拿這個(gè)數(shù)據(jù)跟大氣的實(shí)際數(shù)據(jù)做比對，再校正這個(gè)模型。后來，這套模擬仿真系統(tǒng)的確幫了王博他們的大忙。“因?yàn)椋本┑乃{(lán)天越來越多，霧霾天越來越少。”王博笑著說。
就這樣，將MOF材料紡成絲做成膜，王博和團(tuán)隊(duì)成功地織出一張吸附PM2.5的網(wǎng)。
科研要“走上書架，也走上貨架”
整整5年多的時(shí)間，王博都在忙著反復(fù)實(shí)驗(yàn)，測試材料的穩(wěn)定性。2017年，他開始琢磨如何讓研究成果變成服務(wù)社會的產(chǎn)品。
投入規(guī)模化生產(chǎn)，要克服的一個(gè)大難關(guān)就是成本控制。如何把實(shí)驗(yàn)室中不計(jì)成本的研究變成大規(guī)模的生產(chǎn)？“我本來以為，成本是可控的，但是把能耗等各種生產(chǎn)成本計(jì)算進(jìn)去之后，按照我的配方生產(chǎn)出來的產(chǎn)品價(jià)格竟然比黃金還要貴好幾倍。”王博后來了解到，經(jīng)過努力，第一代MOF的成本已降低到2歐元1公斤。“既然第一代材料的成本能夠?qū)崿F(xiàn)可控，第二代的材料也是可以做到的，一定要盡量用簡單手段解決復(fù)雜問題。成本得低，否則老百姓怎么用？”
工業(yè)方面用材更考慮的是性價(jià)比。印染業(yè)、噴漆業(yè)的有害物揮發(fā)特別復(fù)雜，因此對成本就不是特別敏感。但對于家用的情況，污染物相對單一，對成本的要求也較低。王博團(tuán)隊(duì)就針對不同需求，設(shè)計(jì)不同的膜，膜的體系不一、厚薄不一、精細(xì)度不一，成本也就不一樣。
這兩年，王博團(tuán)隊(duì)一直在和廠商、公司談合作。如今，MOF已陸續(xù)被制成各種各樣的濾芯，匹配不同的工業(yè)產(chǎn)品，如空氣凈化器、中央空調(diào)、車載空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)等。
“科學(xué)研究的最佳方向就是‘走上書架，也走上貨架’。”王博解釋，“走上書架”就是說在研究中形成一些非常好的理論成果，或者對以前的成果有所突破和推進(jìn)；“走上貨架”就是說理論研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)、實(shí)業(yè)要結(jié)合在一起，真正使科學(xué)研究對普通人的生活產(chǎn)生作用。
為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，王博對于MOF材料的研究一直在繼續(xù)。前段時(shí)間，王博團(tuán)隊(duì)又有了新的研究成果——用MOF催化分解臭氧。王博說，幾年前就有專家預(yù)測，因?yàn)榭諝庵卸趸獩]有控制住，減排沒完全做到位，氮氧化物經(jīng)陽光照射，空氣中的氧氣就會變成臭氧。
“臭氧對呼吸道是有刺激的，臭氧濃度如果超標(biāo)對人的傷害不可逆轉(zhuǎn)。”王博說，對此MOF材料也有“用武之地”，被織成立體網(wǎng)的材料上布滿了密密麻麻的微小孔洞，可以把臭氧先捕捉進(jìn)來，再催化分解掉，不管是在濕度高還是空氣流速快的情況，都能快速進(jìn)行分解。
過濾PM2.5、殺菌、分解臭氧，如今一張MOF膜可實(shí)現(xiàn)的功能越來越多。“‘北京藍(lán)’常駐京城，我們是有切身感受的。”回國8年，王博也經(jīng)歷了北京空氣質(zhì)量的改善，但他“對付”霧霾的步伐并沒有放慢，“天幫忙，人更要努力，我們科研工作者一定要走在前面。”
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