美麗與實力兼備，科研“女團”立功“離子液體”

二氧化碳的化學轉化作為一種合理利用碳資源、實現碳循環的重要途徑，受到全球科學家的高度關注。在化學家看來，碳原子與氧原子相連形成的“碳-氧鍵”能量過高，成為二氧化碳轉化的掣肘，也是綠色化學領域的難題之一。

日前，中國科學院化學研究所（以下簡稱化學所）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《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上線。

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

“離子液體”立功

二氧化碳經由電化學反應制備乙烯，近年來成為綠色化學領域的研究熱點。實驗室中，科學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物。

不過，這一反應中乙烯的選擇性不高成為科學家面臨的共同難題。“銅基催化劑具有獨特的優勢，但乙烯的高選擇性仍受到限制，反應還會生成一氧化碳、甲烷等產物，制備乙烯的效率亟待提高。”張建玲告訴《中國科學報》記者。

這主要是由于二氧化碳的化學性質穩定，特別是其中的“碳-氧鍵”鍵能高，其活化轉化較為困難。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。最新發表的研究中，研究人員將離子液體負載在銅基電極材料上，實現了高效二氧化碳電化學還原制備乙烯。

進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，優化了銅的局域配位環境，使得活性中間體*CO 進行二聚反應所需的能量降低，從而更加有利于乙烯生成。

論文寫道：“在水基電解質和常用的H型電解池中，-1.49 V 電壓下，乙烯法拉第效率達到77.3%。”而對于沒有離子液體負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%。

不過，張建玲坦承，本次發表的實驗結果僅僅代表在實驗室走出了第一步，在選擇性、電流密度、穩定性等方面距離工業應用還有很長的路要走。

個個都“能打”

張建玲不是一個人在戰斗，她和實驗室的幾位女同事先后師從中國科學院院士韓布興，組成硬核“女團”，聯手“圍攻”包括二氧化碳、生物質等在內的可再生資源化學轉化問題，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”。研究員劉志敏是團隊的絕對主力，她長期致力綠色溶劑設計、性質及其調控催化可再生碳資源化學轉化研究，發表過300多篇論文。近期，她帶領的課題組發現了離子液體陰、陽離子氫鍵對醇類物質氫氧鍵和碳氧鍵的協同活化新機制，首次提出了氫鍵催化醇類物質脫水制備醚類化合物的綠色方法，登上《科學進展》（Science Advances）。

劉志敏告訴《中國科學報》：“基于生物質的醇類化合物是豐富的可再生碳資源，同行們認為我們發表的研究是與現有酸催化并行的新路線，具有光明的應用前景。”

2022年初，劉志敏與同事們獲得國家自然科學基金創新研究群體項目“綠色溶劑體系設計、性質與功能”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行可再生碳資源的資源化轉化研究，為實現雙碳目標貢獻力量。”她表示。

研究員劉會貞將研究對象鎖定在生物質平臺分子之一5-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、潛在的有機合成中間體。研究成果分別先后發表在《自然-通訊》（Nature Communications）和由中國科學院青年創新促進會和Cell出版社合辦的綜合性英文期刊《創新》（The Innovation）上。

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

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

綠色化學領域內的專家看來，“女團”成員上述的研究采用了不同的策略，構建新體系、建立新方法、發展新反應，結合先進的研究手段，圍繞碳-氧鍵活化轉化，開展了原創性、系統性的工作。

美麗堅韌的“擔當”

每個“女團”通常都有各種角色“擔當”，綠色化學的“女團”里也一樣。“張老師是‘穿搭’擔當，好看的衣服都領著我買。”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”擔當。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，“經驗”擔當劉志敏、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，生活上彼此關照，她們躬身踐行著化學所“創新、求是、團結、奉獻”的所風所訓和實驗室“綠色、敬業、創新、和諧”的室風室訓。

鑒于她們在科研中的突出表現，劉志敏、張建玲曾先后獲得中國科學院“巾幗建功”先進個人，“綠色溶劑性質與應用研究團隊”也獲第十六屆中國青年女科學家獎團隊獎，入選科技部創新人才推進計劃重點領域“可再生碳資源清潔高效轉化”創新團隊。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’。”

當然，對于職業女性而言，如何平衡工作和生活是一個永恒的話題。在她們看來，新時代的女性科學家不止要接受勇攀高峰的挑戰，也要以健康美麗、知性優雅展現時代風貌。“工作和生活兼顧，做美麗、堅韌的新時代職業女性。”劉志敏強調。

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，激發出學習的內在動力。“親測有效。”談到各自已經長大的女兒，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”在實驗室已經可以熟背元素周期表，在化學所被傳為一段佳話。

相關論文信息：

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

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

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