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【北京日报】过滤雾霾

供稿: 北京日报 编辑: 吴楠
(2019-05-30) 阅读次数:
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原文标题:过滤雾霾

原文链接:http://bjrb.bjd.com.cn/html/2019-05/30/content_11886681.htm

  从回国的那一年起,王博就开始研究金属有机框架材料MOF。他笑称,这是一场长达8年的“抗战”,而且还没有结束。

  MOF的全称是Metal-Organic Framework。MOF是一种多孔结晶材料,由有机骨架和金属离子组成,它可以通过静电吸附作用实现对大量细微颗粒物的捕获。据预测,MOF有望成为21世纪的决定性材料,其广泛应用将如同今天的塑料。

  这8年王博所做的,就是为市民发明一种MOF膜,过滤PM2.5以及各种污染物。目前,他带领团队研发的完全自主知识产权高效能过滤材料已经产品化,在空气净化

  科技之星

  王 博

  pt电子游戏开户下注前沿交叉科学研究院教授、执行院长,“北京青年五四奖章”获得者。他长期从事MOF材料研究,率领团队解决了环保领域若干“卡脖子”的关键技术难题,所研发的第二代MOF能过滤PM2.5、杀菌、分解臭氧,已被应用于空气净化器、新风系统等,为首都环保事业做出了贡献。

  织一张能过滤空气的“网”

  王博是pt电子游戏开户下注前沿交叉科学研究院教授、执行院长,研究MOF这种净化空气新材料已经8年。

  接触MOF,还要从他读书时说起。这个别人眼中的“学霸”,其实从小的理想是当一名物理学家,只因高考时“误打误撞”被免试保送至北京大学化学与分子工程学院。2004年王博本科毕业,前往国外学习。那时,第一代MOF已经工业化量产,用来储存氢气和天然气。王博便跟着导师研究第二代MOF——目的是用它吸附空气中的有毒有害气体。

  “MOF的精准之处就在于它表面的孔特别多,甚至可以调控到零点几纳米一个孔。如果把里面的孔全部剖开,1克的材料能铺展8000平方米,可覆盖一整个足球场。”说起MOF,王博打开了话匣子,“也是利用这一点,可以把空气中有毒有害物质逐一捕捉出来,相当于织一张非常精密的纳米‘网’,把空气中气相的、液相的、固相的污染物‘一网打尽’。”

  2008年,提前博士毕业的王博本想投身学术界,导师却劝他,“如果你的东西能去往工业界,变成产品,就可以让每个人的生活好那么一点点。”

  就这样,王博去了一家企业,从事MOF材料的大批量生产。不过他并没有呆太久。“在国外工作时我经常会想,如果自己所取得的科研成果在国内进行转化应用,会不会给国家的发展注入一些新鲜的血液呢?”2011年,为了追求更自由的科研,王博放弃了企业的优厚待遇,到pt电子游戏开户下注搞起了学术。

  那时候,国内的空气质量不好,“雾霾锁城”的新闻经常出现在媒体上。有一段时间,王博两岁的女儿总咳嗽,老往医院跑,妻子还一度埋怨他,“你研究的东西就不能接点地气儿吗?”

  同一年,王博参加了一个有关MOF材料的重大研究项目。在一次项目评审会上,一位专家指了指窗外问他:“这个材料对有毒有害气体的吸附能力很强,但普通老百姓一生中能有多大概率碰到沙林、芥子气等毒气呢?”

  窗外,正是一个雾霾天,许多人戴着口罩匆匆而过。那时我国市场上防雾霾口罩和净化器中最核心的功能部件——高效空气过滤材料,几乎全部来自美国、日本等,国货寥寥无几。

  “研究变成产品,就可以让每个人的生活好那么一点点。”王博再次想起了导师的那句话。

  用电熨斗把MOF材料熨烫成膜

  王博把目光瞄向了国内产能几乎为零的高效滤芯市场。

  “雾霾早期呈弱酸性,本质上是固体颗粒、挥发性有机物、无机硫酸、硝酸盐和水。”王博说,这个挑战不小。以相对简单的空气各组分为例,二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物只有百分之零点几,甚至十万分之几,怎么能从一堆气体里面把所要的分子抓出来?

  为此,王博和团队成员一是通过MOF材料的孔来筛选,保证让比孔大的分子进不来,和孔的形状不一样的分子也进不来;二是在孔内修饰一些不同的官能团(决定有机化合物的化学性质的原子或原子团)。“举例来说,PM2.5是中性偏酸的,那我们就装一些偏碱的元素,酸碱一中和,吸附能力就很强。”这两点实现以后,王博和团队成员就解决了空气中有毒有害成分的吸附问题。

  接着新的问题又来了。MOF的原本状态是粉末状的,而且易碎,难加工、难成型,有害气体不会那么“听话”,如果来不及被MOF吸附,就会通过颗粒之间的空隙被人体吸进去。

  2014年底,课题组成员开会讨论:如何在不使用溶剂的情况下让原子、分子“手拉手”,不给有害颗粒留空隙?能不能通过施加压力和温度等物理手段来直接合成MOF材料,让它在基底材料上“长”成一层薄薄的膜?

  “有没有一种东西,能给它加热又加压?”面对复杂的问题,王博用通俗的方式启发学生,“就是类似摊煎饼果子,你们回去想一想。”

  寒假过后,课题组里一名大二学生来到王博面前,“王老师,我特意去看了煎饼摊,咱们可以试一试。”

  “你的这个想法很大胆,但是我们总不能把一个煎饼摊摆在实验室吧,占地大,有安全风险。而且它质地粗糙,没法保证把MOF铺得均匀平整,无法从上方加压,加工精度必然不高。还有没有更加便携和方便操作的器材?”王博没有嘲笑这名学生,而是顺着他的思维,启发他继续探究更好的方法。

  “电饼铛怎么样?不仅小,能把MOF均匀分散,还可以双向加压加热。”这名学生再次发挥了“吃货”精神。“那你就弄一个电饼铛吧,先试试看。”王博鼓励道。

  至繁归于至简。学生们经过多次讨论,选择了另一个更为小巧、便宜、可控的工具——老式电熨斗,这完全符合平整、加热、加压这些实验要求。大家经过不断尝试,终于成功地将MOF材料在铝箔、布匹、玻璃和金属网等各种基底上熨烫成膜,精细度甚至达到一根丝上可以粘附50纳米MOF材料,如此一来,薄膜就像“长”在基底上,附着坚固,打磨不掉。

  对PM2.5滤除率超过99%

  闯入实验室的电熨斗让王博团队解决了当务之急。王博信心满满,本以为这种聚合材料的方法可以扩展到所有MOF体系的研究中,后来实践却证明,一些超高稳定、耐酸、耐碱的MOF,就是做不出来。

  王博猜测是某个环节出了问题,他亲自“督战”,试了上百次。经过多次尝试发现,原来是有竞争反应。一旦控制不好,MOF上会“长”出其他副产物。但实验也表明,同样的条件可以做聚合,前提是避免与空气中的水发生反应。总的来说,一是加热不宜过快,二是要与水隔离。

  这个小挫折引导王博发现了一个更新的方法,能让MOF膜的韧度和性能比以前好。“不是要躲避水的干扰吗?那我就用油把它包起来。”又是一个“四两拨千斤”的方法,没用其他的高成本材料,王博用一层薄薄的油层包在上面,保证水进不去。

  “我在大学时曾经因为一次实验失败很沮丧,就跟导师抱怨。结果导师反问我,你做够100组反应了吗?如果100组还不行,那就尝试1000组、10000组,总会成功一次的。”王博明白,有时候多做一点点,可能真会绝处逢生。

  2017年初,王博团队关于MOF材料应用于空气过滤净化的研究论文,被国际权威学术期刊《Nature》撰文报道。其中提到,室温下该材料对于PM2.5的滤除率超过99%。报道一出,引发巨大关注,一些人对99%的滤除率有点不相信。殊不知,这个数字是成千上万次的实验测出来的,也是王博团队持续多年的重复实验得出的结论。

  王博解释,PM2.5不是稳态的物质,它每天每个时刻都不一样,组分也在变。所以他们的实验分为两部分,一方面是稳态条件下的测试,拿香烟模拟雾霾。“因为当时我国空气净化器厂商的检测标准大多是拿香烟模拟测试,但香烟检测的最大问题是烧得太快,就必须不停地往里续香烟。”王博说,后来他们学习国外大气治理研究中的一个方法,用檀香。即便这样做,模拟出的环境仍然不是最真实的。

  于是,很长一段时间王博和团队成员都在“等霾来”。每当雾霾天来临,他们就用管式风扇从外面抽风进来,中间放一层膜,就这样连续测。王博说,两三年的时间里,大家的心情都由天气决定,有时候是“太好了,雾霾来了,又可以做实验了”,或者是“糟糕,风来了,我的数据还没采集完,这次实验又做不完了”。正因为实验是从源头出发,测出的结果才非常接近真实环境。

  但毕竟看“天”做实验太被动,2016年王博和团队成员做了一套模拟仿真系统,模拟北京的大气状况,并提前“算”出来相应大气条件下适用的材料应该具备什么样的性能。经过实验,拿这个数据跟大气的实际数据做比对,再校正这个模型。后来,这套模拟仿真系统的确帮了王博他们的大忙。“因为,北京的蓝天越来越多,雾霾天越来越少。”王博笑着说。

  就这样,将MOF材料纺成丝做成膜,王博和团队成功地织出一张吸附PM2.5的网。

  科研要“走上书架,也走上货架”

  整整5年多的时间,王博都在忙着反复实验,测试材料的稳定性。2017年,他开始琢磨如何让研究成果变成服务社会的产品。

  投入规模化生产,要克服的一个大难关就是成本控制。如何把实验室中不计成本的研究变成大规模的生产?“我本来以为,成本是可控的,但是把能耗等各种生产成本计算进去之后,按照我的配方生产出来的产品价格竟然比黄金还要贵好几倍。”王博后来了解到,经过努力,第一代MOF的成本已降低到2欧元1公斤。“既然第一代材料的成本能够实现可控,第二代的材料也是可以做到的,一定要尽量用简单手段解决复杂问题。成本得低,否则老百姓怎么用?”

  工业方面用材更考虑的是性价比。印染业、喷漆业的有害物挥发特别复杂,因此对成本就不是特别敏感。但对于家用的情况,污染物相对单一,对成本的要求也较低。王博团队就针对不同需求,设计不同的膜,膜的体系不一、厚薄不一、精细度不一,成本也就不一样。

  这两年,王博团队一直在和厂商、公司谈合作。如今,MOF已陆续被制成各种各样的滤芯,匹配不同的工业产品,如空气净化器、中央空调、车载空调、新风系统等。

  “科学研究的最佳方向就是‘走上书架,也走上货架’。”王博解释,“走上书架”就是说在研究中形成一些非常好的理论成果,或者对以前的成果有所突破和推进;“走上货架”就是说理论研究、科学实验和工业、实业要结合在一起,真正使科学研究对普通人的生活产生作用。

  为了达成这个目标,王博对于MOF材料的研究一直在继续。前段时间,王博团队又有了新的研究成果——用MOF催化分解臭氧。王博说,几年前就有专家预测,因为空气中二氧化氮没有控制住,减排没完全做到位,氮氧化物经阳光照射,空气中的氧气就会变成臭氧。

  “臭氧对呼吸道是有刺激的,臭氧浓度如果超标对人的伤害不可逆转。”王博说,对此MOF材料也有“用武之地”,被织成立体网的材料上布满了密密麻麻的微小孔洞,可以把臭氧先捕捉进来,再催化分解掉,不管是在湿度高还是空气流速快的情况,都能快速进行分解。

  过滤PM2.5、杀菌、分解臭氧,如今一张MOF膜可实现的功能越来越多。“‘北京蓝’常驻京城,我们是有切身感受的。”回国8年,王博也经历了北京空气质量的改善,但他“对付”雾霾的步伐并没有放慢,“天帮忙,人更要努力,我们科研工作者一定要走在前面。”


(审核:王征)

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