【北京日報】過濾霧霾
發(fā)布日期：2019-05-30 供稿：北京日報 編輯：吳楠 審核：王征 閱讀次數(shù)：
原文標題：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框架材料MOF。他笑稱,，這是一場長達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,，由有機骨架和金屬離子組成，它可以通過靜電吸附作用實現(xiàn)對大量細微顆粒物的捕獲,。據(jù)預測,，MOF有望成為21世紀的決定性材料，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)團隊研發(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
北京理工大學前沿交叉科學研究院教授、執(zhí)行院長,，“北京青年五四獎?wù)隆鲍@得者,。他長期從事MOF材料研究，率領(lǐng)團隊解決了環(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,、新風系統(tǒng)等，為首都環(huán)保事業(yè)做出了貢獻,。
織一張能過濾空氣的“網(wǎng)”
王博是北京理工大學前沿交叉科學研究院教授,、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,，還要從他讀書時說起。這個別人眼中的“學霸”,，其實從小的理想是當一名物理學家,，只因高考時“誤打誤撞”被免試保送至北京大學化學與分子工程學院。2004年王博本科畢業(yè),，前往國外學習,。那時，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的精準之處就在于它表面的孔特別多,，甚至可以調(diào)控到零點幾納米一個孔,。如果把里面的孔全部剖開，1克的材料能鋪展8000平方米,，可覆蓋一整個足球場,。”說起MOF,，王博打開了話匣子,，“也是利用這一點，可以把空氣中有毒有害物質(zhì)逐一捕捉出來,，相當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’,?！?/p>
2008年，提前博士畢業(yè)的王博本想投身學術(shù)界,，導師卻勸他,，“如果你的東西能去往工業(yè)界，變成產(chǎn)品,，就可以讓每個人的生活好那么一點點,。”
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,?！霸趪夤ぷ鲿r我經(jīng)常會想，如果自己所取得的科研成果在國內(nèi)進行轉(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,，到北京理工大學搞起了學術(shù)。
那時候,，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地氣兒嗎,？”
同一年，王博參加了一個有關(guān)MOF材料的重大研究項目,。在一次項目評審會上,，一位專家指了指窗外問他：“這個材料對有毒有害氣體的吸附能力很強，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，正是一個霧霾天，許多人戴著口罩匆匆而過,。那時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,，就可以讓每個人的生活好那么一點點,。”王博再次想起了導師的那句話,。
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)性有機物,、無機硫酸、硝酸鹽和水,?！蓖醪┱f，這個挑戰(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,，王博和團隊成員一是通過MOF材料的孔來篩選,，保證讓比孔大的分子進不來，和孔的形狀不一樣的分子也進不來,；二是在孔內(nèi)修飾一些不同的官能團（決定有機化合物的化學性質(zhì)的原子或原子團）,。“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,。”這兩點實現(xiàn)以后,，王博和團隊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,？”面對復雜的問題，王博用通俗的方式啟發(fā)學生,，“就是類似攤煎餅果子,，你們回去想一想?！?/p>
寒假過后,，課題組里一名大二學生來到王博面前，“王老師,，我特意去看了煎餅攤,，咱們可以試一試?！?/p>
“你的這個想法很大膽,，但是我們總不能把一個煎餅攤擺在實驗室吧，占地大,，有安全風險,。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,?！边@名學生再次發(fā)揮了“吃貨”精神?！澳悄憔团粋€電餅鐺吧,，先試試看?！蓖醪┕膭畹馈?/p>
至繁歸于至簡,。學生們經(jīng)過多次討論,，選擇了另一個更為小巧、便宜,、可控的工具——老式電熨斗,，這完全符合平整、加熱,、加壓這些實驗要求,。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，精細度甚至達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，附著堅固,，打磨不掉,。
對PM2.5濾除率超過99%
闖入實驗室的電熨斗讓王博團隊解決了當務(wù)之急。王博信心滿滿,，本以為這種聚合材料的方法可以擴展到所有MOF體系的研究中,，后來實踐卻證明，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,。但實驗也表明,，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),?？偟膩碚f，一是加熱不宜過快,，二是要與水隔離,。
這個小挫折引導王博發(fā)現(xiàn)了一個更新的方法，能讓MOF膜的韌度和性能比以前好,?！安皇且惚芩母蓴_嗎？那我就用油把它包起來,?！庇质且粋€“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,，保證水進不去。
“我在大學時曾經(jīng)因為一次實驗失敗很沮喪,，就跟導師抱怨,。結(jié)果導師反問我，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,，有時候多做一點點,，可能真會絕處逢生。
2017年初,，王博團隊關(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)威學術(shù)期刊《Nature》撰文報道。其中提到,，室溫下該材料對于PM2.5的濾除率超過99%,。報道一出，引發(fā)巨大關(guān)注,，一些人對99%的濾除率有點不相信,。殊不知,，這個數(shù)字是成千上萬次的實驗測出來的，也是王博團隊持續(xù)多年的重復實驗得出的結(jié)論,。
王博解釋,，PM2.5不是穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)，它每天每個時刻都不一樣,，組分也在變,。所以他們的實驗分為兩部分，一方面是穩(wěn)態(tài)條件下的測試,，拿香煙模擬霧霾,。“因為當時我國空氣凈化器廠商的檢測標準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?！蓖醪┱f，后來他們學習國外大氣治理研究中的一個方法,，用檀香,。即便這樣做，模擬出的環(huán)境仍然不是最真實的,。
于是,，很長一段時間王博和團隊成員都在“等霾來”。每當霧霾天來臨,，他們就用管式風扇從外面抽風進來,，中間放一層膜，就這樣連續(xù)測,。王博說,，兩三年的時間里，大家的心情都由天氣決定,，有時候是“太好了,，霧霾來了，又可以做實驗了”,，或者是“糟糕,，風來了，我的數(shù)據(jù)還沒采集完,，這次實驗又做不完了”,。正因為實驗是從源頭出發(fā)，測出的結(jié)果才非常接近真實環(huán)境,。
但畢竟看“天”做實驗太被動,，2016年王博和團隊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)過實驗,，拿這個數(shù)據(jù)跟大氣的實際數(shù)據(jù)做比對，再校正這個模型,。后來,，這套模擬仿真系統(tǒng)的確幫了王博他們的大忙?！耙驗?，北京的藍天越來越多，霧霾天越來越少,?！蓖醪┬χf。
就這樣,，將MOF材料紡成絲做成膜,，王博和團隊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年多的時間,，王博都在忙著反復實驗，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)?；a(chǎn),，要克服的一個大難關(guān)就是成本控制。如何把實驗室中不計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)成本計算進去之后,，按照我的配方生產(chǎn)出來的產(chǎn)品價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?！凹热坏谝淮牧系某杀灸軌?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比。印染業(yè),、噴漆業(yè)的有害物揮發(fā)特別復雜,，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。王博團隊就針對不同需求,，設(shè)計不同的膜,，膜的體系不一、厚薄不一,、精細度不一,，成本也就不一樣。
這兩年,，王博團隊一直在和廠商,、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),、新風系統(tǒng)等,。
“科學研究的最佳方向就是‘走上書架，也走上貨架’,?！蓖醪┙忉專白呱蠒堋本褪钦f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,；“走上貨架”就是說理論研究、科學實驗和工業(yè),、實業(yè)要結(jié)合在一起,，真正使科學研究對普通人的生活產(chǎn)生作用。
為了達成這個目標,，王博對于MOF材料的研究一直在繼續(xù),。前段時間，王博團隊又有了新的研究成果——用MOF催化分解臭氧,。王博說,，幾年前就有專家預測,，因為空氣中二氧化氮沒有控制住，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，都能快速進行分解,。
過濾PM2.5,、殺菌、分解臭氧,，如今一張MOF膜可實現(xiàn)的功能越來越多,。“‘北京藍’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?！?/p>
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