2025年7月，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）博士研究生金平收到了《科學》（Science）的接收函。
“這其實是我求學期間完成的第一篇論文。”作為第一作者的金平坦言道。這項歷經六年的科研“馬拉松”，最終于9月5日成功登上《科學》雜志。它由大連化物所研究員王峰團隊聯合意大利的里雅斯特大學教授Paolo Fornasiero等人合作完成，他們發展了一種新型光催化策略，實現了常溫氫氣異裂。該研究將氫氣的新方式用于二氧化碳還原，直接制備了乙烷、乙烯等高附加值化學品。相較于傳統高溫高壓加氫工藝，這一新方法有望大幅降低能耗，并有效減少二氧化碳排放，為碳資源的高效優化利用提供新路徑。
歷時多年的研究終獲國際頂級期刊的認可，喜悅之情在他心底悄然升起。“但就像團隊里王峰老師、羅能超老師常教導我的，一切都要以平常心看待。做出成果后，要謙遜，更要冷靜。”
羅能超（左）和金平（右）在光催化固定床反應裝置前討論。受訪者供圖
意外的發現
時間的齒輪倒轉回2017年，在南昌大學攻讀化工專業的金平，第一次見到了來訪作報告的王峰。
“當時我的導師從事生物質轉化研究，邀請了王老師來交流。”金平回憶道。王峰在報告中介紹的一項正在進行的木質素轉化研究，立刻引起了他的興趣。
“王老師提到，團隊正嘗試在木質素轉化中，通過選擇性活化非目標碳氧鍵，誘導分子內電子效應或空間構象變化，最終實現目標碳氧鍵的高效斷裂。”金平說，王峰形象地將此策略比喻為“聲東擊西”，還類比于足球場上的“帽子戲法”。
講座結束后，意猶未盡的金平主動找到王峰，深入探討了分子轉化相關的問題。王峰風趣幽默的講解和對未知領域的探索精神，給金平留下了深刻印象。
一年后，憑借推免資格，金平同時收到了北京大學、中國科學技術大學和大連化物所的offer。“我一直想做生物質分子催化轉化研究。大連化物所被譽為‘催化的搖籃’，擁有深厚的平臺資源積累。出于對研究方向的興趣，我最終選擇了大連化物所，加入了王老師的團隊。這像是一場科研興趣與平臺機遇的‘雙向奔赴’。”金平說。
到大連化物所后，王老師讓剛留組工作的“新人老師”羅能超指導金平開展研究。結合羅能超光催化生物質轉化的研究方向，以及王峰給定的流動化學研究任務，團隊確定開展生物質光催化轉化和流動化學“二合一”，專注于通過光調控生物質平臺分子在流動反應體系中實現加氫。“我們的目標是提高光催化平臺分子加氫反應的活性，實現增值轉化，為碳資源優化利用提供新路徑。”金平回憶道。
然而在一次實驗中，他們卻發現了一點不一樣的東西。
“我們開始嘗試的是其他含氧分子的加氫，發現光照下的加氫產物有些異常，出現了獨特的‘翻轉效應’，我就建議金平同學嘗試更難惰性的二氧化碳分子。”論文通訊作者之一、大連化物所副研究員羅能超介紹道，“更令人意外的是，這套光照下的加氫反應將二氧化碳轉化為了碳二產物，驗證了光催化體系存在一種獨特且高效的氫氣活化方式。”
這個發現立刻引起了羅能超和金平的關注。因為加氫反應作為化學工業的核心反應之一，約四分之一的化工過程都涉及至少一步加氫。
金平用比喻闡釋其原理：“氫氣分子就像一對緊密結合的伙伴，共享電子形成牢固的化學鍵。在微觀層面，它們‘分離’的方式主要有兩種：一種是‘均裂’，雙方各帶走相當電子；另一種則是‘異裂’，一方得到電子，另一方則失去電子。但是要實現這種‘異裂’，需要較高溫度和壓力的條件，消耗大量能源。”
因此，如何在溫和條件下實現氫氣高效異裂，成為科學家們追求的目標。實驗中的新發現，卻意外為他們提供了新思路。
面對這個“偏離原定方向”的發現，羅能超和金平向王峰匯報了想法。王峰當即表示認可，并全力支持團隊轉向探索氫氣異相活化的新體系。從最初的平臺分子加氫轉化，到意外的二氧化碳加氫，再到氫氣活化新路徑，這種包容開放、鼓勵探索未知的學術態度，使得一次偶然的“實驗偏差”轉化為新的突破。
“答案”一直在身邊
確定方向后，研究團隊清晰地認識到：實現氫氣異裂的關鍵突破口，在于設計能同時提供正、負電荷中心的催化體系。那么，如何才能構建出這兩個至關重要的電荷中心呢？
“我們此前一直在研究光催化生物質轉化，就想從光催化的原理中找答案。”羅能超表示。
在光激發半導體時，電子吸收光子能量會脫離原位，留下帶正電的“空穴”，從而同時產生帶負電的電子和帶正電的空穴。
然而，挑戰隨之而來。光生電子和空穴需要被控制在極其接近的空間內，才能產生足以構成氫氫鍵異裂的不均勻電荷環境。但過于緊密的距離，又容易導致電子與空穴因正負電荷相吸而復合湮滅。
正在這個時候，大連化物所光催化領域的專家研究員章福祥和研究員李仁貴帶來了新視角，在通力合作下，團隊提出了新的模型：將電子和空穴分別“束縛”在空間鄰近的不同位點上，如同將它們各自“禁錮”在獨立的“陷阱”中。這樣，即使彼此靠近，電子和空穴若要復合，也必須先獲得額外能量“躍出”各自的“陷阱”，從而有效延長其壽命，為驅動氫氫鍵異裂創造條件。
“但在研究中，我們只成功定位了電子的‘陷阱’，一直未能找到空穴的‘陷阱’。”金平回憶道。
正當團隊一籌莫展的時候，羅能超從一篇2017年大連化物所李燦院士發表的論文中獲得了新啟發。“李燦院士團隊是國際上光催化領域的頂尖團隊，我一直在關注李燦院士團隊的工作，這篇論文我之前就讀過，但沒有將該工作與我們的工作關聯起來，后面又去讀突然有了啟發。論文闡述了利用光激發金的局部等離子激元共振效應，而我們的體系是用光激發二氧化鈦，機制看似相反。但這提供了一個關鍵思路：光照條件下，空穴的‘陷阱’是否也可能存在于界面處？與王峰老師討論后，我們決定在界面區域進行重點研究，果然找到了。”
研究團隊最終在二氧化鈦與金納米顆粒的交界面找到了捕獲空穴的“陷阱”，有效地阻止了正負電荷的“復合”，確保正負電荷中心的穩定存在。
“這也印證了科研上常說的‘站在巨人肩膀上’，有些難題的答案其實一直在身邊。”羅能超說。
“這個成果的取得，離不開大連化物所有一群在催化、光化學、材料和化工等領域活躍的青年科學家。大家在平時開展深入有效的討論，極大促進了該科研工作的進行。”王峰說。
不能修補而要“全面升級”
2024年5月，研究團隊信心滿滿交稿到《科學》，一個月后收到了編輯的回復，給了重新投稿的機會。
“編輯肯定了研究方向的新穎性，但認為新策略缺乏足夠的理論支撐，部分數據也不夠完善。”金平解釋道。
“王老師這時候建議我們，不能簡單修修補補，要全面升級研究工作，對涉及的所有數據重新驗證。”羅能超回憶道。
收到建議后，他與金平立即投入實驗，從頭開始。“比如動力學實驗，最初可能比較粗糙，只有單一光強下的數據。后來我們做得極其細致，在五個不同光強梯度下重復實驗，每個數據點都進行了三四次重復測定。”在烈日炎炎的夏天，實驗室的天臺上，金平戴著草帽和墨鏡，耐心地坐在陽光里采集自然光照下的催化反應數據。“那段時間金平特別辛苦，熬了無數個夜，持續數月。當他最終告訴我轉化率和選擇性都幾乎能達到100%時，我們覺得‘這下穩了’。”羅能超說。
研究團隊用惰性的二氧化碳還原反應驗證了這種光誘導氫氣異裂的優勢。發現產生的氫物種可以在常溫下把惰性的二氧化碳全部轉化，產物只有乙烷。再通過串聯乙烷轉化為乙烯的裝置，可以把二氧化碳還原為乙烯，乙烯收率接近99%，催化劑可以穩定運行超過1500小時不失活。
并且，他們也采納了編輯的建議，進一步使用自然的太陽光為光源，同樣實現了將二氧化碳還原為了乙烷。最終，這項歷經錘煉的研究成果得以在《科學》上發表。
這也是金平六年科研生涯磨礪出的第一篇論文。
看到一些師弟師妹發表文章較快，結合科研考核要求，金平坦言有時會感到有壓力。但他很快便能調整心態：“科研工作有‘快’有‘慢’，需要不同的研究周期。更重要的是專注個人收獲——迷茫、困惑都是常態，沒有困難往往意味著難以取得突破性提升。”
金平在氣相色譜前檢測分析。受訪者供圖
在長時間磨練中，他特別感謝了團隊給予的支持：“王老師課題組氛圍自由寬松。羅老師我們習慣稱他‘小羅師兄’，常常給我一些建設性意見。我們三人經常深入討論，他們從不輕易否定我的想法，而是給予充分的試錯空間，鼓勵大膽嘗試。這次《科學》論文的發現，某種程度上正源于一次偶然的嘗試。”
在外人看來，金平的科研生活相當“投入”，他樂于長時間待在實驗室。但他自己并不認同“內卷”的說法：“關鍵是找到適合自己的節奏，將科研內化為生活的一部分，就不會感到那么疲憊。比如實驗之外，我喜歡游泳。入水瞬間的清醒感，常能讓我更專注地思考問題，仿佛與世界達成了某種‘和解’。”
在頂級期刊發表論文后，金平每天依然將大量時間投入實驗室。他繼續深耕分子合成研究，并且積極探索新的領域，希望能從國家戰略需求出發，多發現新的科學現象，探索科學本質，解決科學問題。“我覺得自己并非天賦極高之人，所以科研路上更需要持之以恒的努力。如同修煉‘童子功’，唯有不斷積累沉淀，才可能迎來厚積薄發的時刻。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adq3445
本文鏈接：始于“意外”發現，95后第一篇論文就登上Sciencehttp://www.sq15.cn/show-11-26432-0.html
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