不想再做“有套路”的研究

劉如楠

近日，美國密歇根大學(xué)博士后周鵬以第一作者身份，收獲了人生中的第一篇《自然》論文。剛步入35歲的他，給自己送了一份新年大禮。

周鵬等人在論文中描述了他們開發(fā)的一種新型太陽光解水制氫的路徑，可將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣的效率提高到9%，是同類其他光解水制氫路徑的近10倍。同時(shí)該方法成本低廉，根據(jù)理論推測，制備1公斤的氫氣只需1美元。

這項(xiàng)成果的發(fā)表，讓周鵬堅(jiān)定了自己的科研方向。“太陽能制氫將是新能源研究領(lǐng)域的未來。我期待學(xué)成歸國，繼續(xù)開展相關(guān)研究。”他說。

師弟“點(diǎn)穴”讓研究柳暗花明

一天，周鵬照例在密歇根大學(xué)和北京大學(xué)的師弟在線上討論課題。周鵬從北大博士后出站已有半年時(shí)間，此前未完成的課題仍需師弟推進(jìn)，所以他們時(shí)不時(shí)要開會討論。

討論圍繞光催化的反應(yīng)系統(tǒng)展開。通常大家認(rèn)為，光催化反應(yīng)較為溫和，在室溫下即可發(fā)生，這是其最大的優(yōu)勢，因此幾乎所有光催化反應(yīng)器都會設(shè)置冷卻水對反應(yīng)進(jìn)行降溫，但這又會增加反應(yīng)器的設(shè)計(jì)難度。

“為什么非要那么復(fù)雜？太陽光中本來就包含可以制熱的紅外光，它本身就可以促進(jìn)反應(yīng)，不進(jìn)行冷卻，就讓它們在高溫下反應(yīng)不行嗎？”師弟隨口說道。

瞬間，周鵬像被“點(diǎn)了穴”，他的思緒一下子飛到了目前在做的課題上。“太陽光本身就會產(chǎn)生熱量，合理利用這些熱量進(jìn)行光熱協(xié)同催化，或許能提升反應(yīng)效率。”

而師弟看似無心的一句反問，恰似一個(gè)驚雷。周鵬一直在催化劑結(jié)構(gòu)上打轉(zhuǎn)，忽略了催化劑反應(yīng)環(huán)境對性能的影響。

“恰恰是光催化反應(yīng)在室溫下發(fā)生的優(yōu)勢，讓我們忽視了它在高溫下反應(yīng)的效率問題。”周鵬告訴筆者。

隨后，周鵬等采取了兩種策略為光催化制氫“提質(zhì)增效”。一是控溫。“早年間人們用廢報(bào)紙糊墻保暖，我們在實(shí)驗(yàn)中將廢報(bào)紙糊在反應(yīng)器上，使其成為一個(gè)保溫桶。”周鵬說。二是增強(qiáng)光和熱。他們通過棱鏡裝置將太陽光增強(qiáng)至160倍，保證反應(yīng)過程中的高光強(qiáng)和高熱量。

而提高光催化反應(yīng)溫度的研究之所以少有人做，這和常規(guī)催化劑材料難以耐受高溫有關(guān)。周鵬所在的課題組曾于2014年開發(fā)出半導(dǎo)體材料氮化銦鎵（InCaN），其最高能夠經(jīng)受800攝氏度的高溫。這一新材料之前大多被用在LED顯示器等的研發(fā)中，而周鵬將其應(yīng)用到了化學(xué)反應(yīng)中，得到了意想不到的效果。

用真誠戰(zhàn)勝質(zhì)疑

2021年1月19日，懷著忐忑的心情，周鵬點(diǎn)擊了上傳按鈕，將文稿投給了《自然》。

經(jīng)過3個(gè)月的第一輪審稿，周鵬收到了編輯的拒稿消息。他反復(fù)推敲審稿意見，發(fā)現(xiàn)是審稿人誤解了材料的反應(yīng)類型，認(rèn)為材料性能在領(lǐng)域內(nèi)不占優(yōu)勢。

周鵬寫了長長的解釋信件，并補(bǔ)充了一系列數(shù)據(jù)，一一解答了審稿人的疑惑，并表達(dá)了他們對拒稿結(jié)果的異議。

就這樣，經(jīng)過了兩輪的補(bǔ)充和解釋后，他們以為打消了編輯和審稿人的顧慮，但又出了意外，幾個(gè)月過去，那邊音信全無。

“后來我們才知道，原來是編輯聯(lián)系不上其中一位審稿人了。”周鵬說，編輯只好另外找了兩個(gè)人，對失聯(lián)審稿人的意見進(jìn)行仲裁，并提出新的審稿意見。

周鵬剛剛放下的心一下又懸了起來，“按常規(guī)只需要一位仲裁人，這次一下子來了兩位，他們都有一票否決權(quán)”。

好在兩位仲裁者認(rèn)為，周鵬等人已經(jīng)解決了此前提出的大部分問題，且此前的部分審稿意見并不完全適用于這項(xiàng)研究。同時(shí)他們重新提出了一些問題。就這樣，又進(jìn)行了一輪修改調(diào)整，這篇論文終于被接收。

“在整個(gè)審稿過程中，我們遵循實(shí)事求是的原則，目前沒有解決的問題、研究中需要完善的地方，如氫氧分離問題，我們都大大方方地承認(rèn)并闡明研究的主要目的。后來想想，或許正是我們的真誠打動(dòng)了仲裁人和編輯。”周鵬說。

送給自己35歲最好的禮物

2023年，周鵬跨入了35歲的門檻，這篇《自然》論文的發(fā)表，是他送給自己35歲最好的禮物。

“我希望能做點(diǎn)與以往不一樣的研究。當(dāng)我不再需要用論文篇數(shù)來證明自己的時(shí)候，就想專注于耗時(shí)更長、更困難的問題，即光催化反應(yīng)環(huán)境和反應(yīng)系統(tǒng)的創(chuàng)新。”他說。因此，即便是趕上新冠疫情，實(shí)驗(yàn)斷斷續(xù)續(xù)，或者是多輪的審稿和修改，周鵬都能坦然面對。

最終，他們利用完全清潔的太陽能作為能量來源，將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣的效率提高到9%，是同類光解水制氫實(shí)驗(yàn)的近10倍。同時(shí)成本低廉，按照一些理論研究的推測，光催化全解水制備1公斤的氫氣只需1美元。

然而，這對于實(shí)際應(yīng)用來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。只有達(dá)到99.999%純度的氫氣，才能被直接應(yīng)用在燃料電池上，而目前光催化全解水得到的只是氫氧混合物，純度還不夠。

“我們希望研究出新的制備方法，直接通過光催化水分解制備出高純度的氫燃料。”周鵬說，“我的理想是，像電催化、熱催化那樣，光催化制氫也能在工業(yè)車間大規(guī)模應(yīng)用。”

對于有些人來說，35歲可能是職業(yè)的門檻。而對周鵬來說，35歲是他順從內(nèi)心做科研的重要轉(zhuǎn)折。他的科研之路，才剛剛開始。