“美帥酷颯”！這支“女團(tuán)”很硬核

二氧化碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化作為一種合理利用碳資源、實現(xiàn)碳循環(huán)的重要途徑，受到全球科學(xué)家的高度關(guān)注。

在化學(xué)家看來，碳原子與氧原子相連形成的“碳—氧鍵”能量過高，成為二氧化碳轉(zhuǎn)化的掣肘，也是綠色化學(xué)領(lǐng)域的難題之一。

日前，中國科學(xué)院化學(xué)研究所（以下簡稱化學(xué)所）研究員張建玲等研究人員采用了一種有“離子液體”參與的新策略，提升了二氧化碳電還原為乙烯的效率。這項工作近期在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上線。

值得注意的是，張建玲所在的化學(xué)所膠體、界面與化學(xué)熱力學(xué)實驗室有一支以女研究員為主的研究隊伍，硬核“圍攻”可再生資源轉(zhuǎn)化中的難題，成為綠色化學(xué)領(lǐng)域中一股特別的“她”力量。

化學(xué)所膠體、界面與化學(xué)熱力學(xué)實驗室一支以女研究員為主的研究隊伍合影   化學(xué)所供圖

“離子液體”立功

實驗室中，科學(xué)家利用電解池裝置在陰極通入二氧化碳制得乙烯等還原產(chǎn)物。

不過，這一反應(yīng)中乙烯的選擇性不高成為科學(xué)家面臨的共同難題。

“銅基催化劑具有獨特的優(yōu)勢，但乙烯的高選擇性仍受到限制，反應(yīng)還會生成一氧化碳、甲烷等產(chǎn)物，制備乙烯的效率亟待提高。”張建玲告訴《中國科學(xué)報》記者。

這主要是由于二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，特別是其中的“碳-氧鍵”鍵能高，其活化轉(zhuǎn)化較為困難。

也就是說，需要較高的能量去破壞碳原子與氧原子的連接，讓它與氧原子“分手”轉(zhuǎn)而與碳原子、氫原子“牽手”。

為此，張建玲用上了“離子液體”，這是一種完全由離子組成的液體。

最新發(fā)表的研究中，研究人員將離子液體負(fù)載在銅基電極材料上，實現(xiàn)了高效二氧化碳電化學(xué)還原制備乙烯。

進(jìn)一步實驗和理論研究表明，通過離子液體與銅原子之間的相互作用，優(yōu)化了銅的局域配位環(huán)境，使得活性中間體*CO 進(jìn)行二聚反應(yīng)所需的能量降低，從而更加有利于乙烯生成。

論文寫道：“在水基電解質(zhì)和常用的H型電解池中，-1.49V電壓下，乙烯法拉第效率達(dá)到77.3%?！?/span>

而對于沒有離子液體負(fù)載的銅基電極材料來說，相同條件下的乙烯法拉第效率僅為31.2%。

研究人員將離子液體負(fù)載在銅基電極材料上，實現(xiàn)了高效二氧化碳電化學(xué)還原制備乙烯   張建玲研究團(tuán)隊供圖

不過，張建玲坦承，本次發(fā)表的實驗結(jié)果僅僅代表在實驗室走出了第一步，在選擇性、電流密度、穩(wěn)定性等方面距離工業(yè)應(yīng)用還有很長的路要走。

張建玲  受訪者供圖

個個都“能打”

張建玲不是一個人在戰(zhàn)斗，她和實驗室的幾位女同事先后師從中國科學(xué)院院士韓布興，組成硬核“女團(tuán)”，聯(lián)手“圍攻”包括二氧化碳、生物質(zhì)等在內(nèi)的可再生資源化學(xué)轉(zhuǎn)化問題，取得的系列成果頻登高水平期刊。

她們個個都很“能打”，科研實力“美帥酷颯”。研究員劉志敏是團(tuán)隊的絕對主力，她長期致力綠色溶劑設(shè)計、性質(zhì)及其調(diào)控催化可再生碳資源化學(xué)轉(zhuǎn)化研究，發(fā)表過300多篇論文。

近期，她帶領(lǐng)的課題組發(fā)現(xiàn)了離子液體陰、陽離子氫鍵對醇類物質(zhì)氫氧鍵和碳氧鍵的協(xié)同活化新機(jī)制，首次提出了氫鍵催化醇類物質(zhì)脫水制備醚類化合物的綠色方法，登上《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。

劉志敏告訴《中國科學(xué)報》：“基于生物質(zhì)的醇類化合物是豐富的可再生碳資源，同行們認(rèn)為我們發(fā)表的研究是與現(xiàn)有酸催化并行的新路線，具有光明的應(yīng)用前景?！?/span>

2022年初，劉志敏與同事們獲得國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目“綠色溶劑體系設(shè)計、性質(zhì)與功能”支持，開啟她們科研之路的新征程。

“我們將充分利用綠色溶劑特性進(jìn)行可再生碳資源的資源化轉(zhuǎn)化研究，為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)力量?！彼硎?。

劉志敏  受訪者供圖

研究員劉會貞將研究對象鎖定在生物質(zhì)平臺分子之一5-羥甲基糠醛上。

最近，科研人員同樣基于“碳-氧鍵”活化，實現(xiàn)了在溫和條件下用5-羥甲基糠醛選擇性加氫制備5-甲基糠醛和2,5-二甲基呋喃，這兩種化合物都是重要的、潛在的有機(jī)合成中間體。

研究成果分別先后發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）和由中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會和Cell出版社合辦的綜合性英文期刊《創(chuàng)新》（The Innovation）上。

劉會貞表示，“C-O鍵選擇性活化是5-羥甲基糠醛催化轉(zhuǎn)化過程中的核心科學(xué)問題。我們的工作不僅為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化提供了新的反應(yīng)路線，更為化學(xué)鍵的定向活化提供了新方法”。

劉會貞  受訪者供圖

此外，研究員朱慶宮也致力于電化學(xué)和綠色化學(xué)方面的交叉研究工作，發(fā)展了一些電催化二氧化碳與水反應(yīng)制備重要化學(xué)品和燃料的新方法。

綠色化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的專家看來，“女團(tuán)”成員上述的研究采用了不同的策略，構(gòu)建新體系、建立新方法、發(fā)展新反應(yīng)，結(jié)合先進(jìn)的研究手段，圍繞碳-氧鍵活化轉(zhuǎn)化，開展了原創(chuàng)性、系統(tǒng)性的工作。

美麗堅韌的“擔(dān)當(dāng)”

每個“女團(tuán)”通常都有各種角色“擔(dān)當(dāng)”，綠色化學(xué)的“女團(tuán)”里也一樣。“張老師是‘穿搭’擔(dān)當(dāng)，好看的衣服都領(lǐng)著我買。”采訪中，劉會貞拍了拍張建玲的肩膀直言。

“80后”的劉會貞最年輕，在“70后”張建玲和“60后”劉志敏面前，算得上是“年齡”擔(dān)當(dāng)。

但年輕也有年輕的煩惱，她說：“我2015年回國，工作上、生活上都會有很多困難。”

于是，“經(jīng)驗”擔(dān)當(dāng)劉志敏、張建玲成了她的知心姐姐，無論什么困難都傾力相助，連孩子都幫她帶過。

總之，工作中互相支持，生活上彼此關(guān)照，她們躬身踐行著化學(xué)所“創(chuàng)新、求是、團(tuán)結(jié)、奉獻(xiàn)”的所風(fēng)所訓(xùn)和實驗室“綠色、敬業(yè)、創(chuàng)新、和諧”的室風(fēng)室訓(xùn)。

鑒于她們在科研中的突出表現(xiàn)，劉志敏、張建玲曾先后獲得中國科學(xué)院“巾幗建功”先進(jìn)個人，“綠色溶劑性質(zhì)與應(yīng)用研究團(tuán)隊”也獲第十六屆中國青年女科學(xué)家獎團(tuán)隊獎，入選科技部創(chuàng)新人才推進(jìn)計劃重點領(lǐng)域“可再生碳資源清潔高效轉(zhuǎn)化”創(chuàng)新團(tuán)隊。

她們表示：“作為‘國家隊’‘國家人’，我們始終心系‘國家事’、肩扛‘國家責(zé)’。”

當(dāng)然，對于職業(yè)女性而言，如何平衡工作和生活是一個永恒的話題。

在她們看來，新時代的女性科學(xué)家不止要接受勇攀高峰的挑戰(zhàn)，也要以健康美麗、知性優(yōu)雅展現(xiàn)時代風(fēng)貌。

“工作和生活兼顧，做美麗、堅韌的新時代職業(yè)女性?！眲⒅久魪?qiáng)調(diào)。

有趣的是，在母親的角色里，她們從不“雞娃”，而是讓孩子們看到她們“雞自己”后，激發(fā)出學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力?！坝H測有效?！闭劦礁髯砸呀?jīng)長大的女兒，劉志敏和張建玲都很自豪。

而劉會貞4歲的兒子因為長期被“扔”在實驗室已經(jīng)可以熟背元素周期表，在化學(xué)所被傳為一段佳話。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1002/ange.202200039

https://doi.org/10.1126/sciadv.abg0396

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20878-7

https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100189