聚創(chuàng)新之能

生活中，有一類(lèi)工具為眾人所廣泛應(yīng)用——篩子。它主要起到篩選、阻隔的作用，無(wú)論是篩面粉還是篩沙土，都是眾人身邊極具煙火氣的尋常景象。但在化學(xué)學(xué)科中，科學(xué)家卻用“篩子”來(lái)篩選分子。雖然聽(tīng)上去有些不可思議，但這種神秘像擁有魔法般的“篩子”的確存在，它是一種礦物質(zhì)，名為“沸石”。由于獨(dú)特的孔洞結(jié)構(gòu)，它可以輕易做到只讓特定大小的分子通過(guò)，精準(zhǔn)高效地分離混合物中的不同組分，挑選所需成分，也正因?yàn)榇斯δ?，它還有一個(gè)更為直觀形象的名字——“分子篩”。

▲勞子桓

自1756年，瑞典礦物學(xué)家克朗斯特德（Cronstedt）在探索玄武巖的過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)了沸石起，人類(lèi)便如同打開(kāi)了永不干涸的一汪泉眼。到20世紀(jì)，已經(jīng)逐漸有80多種天然沸石被發(fā)現(xiàn)；1930年，人類(lèi)又首次解析出其晶體結(jié)構(gòu)；20世紀(jì)40年代，學(xué)界便開(kāi)始馬不停蹄地致力于人工合成分子篩……至今，仍有無(wú)數(shù)學(xué)者前赴后繼，將分子篩逐漸構(gòu)建出世人眼中面粉狀、圓柱體、不規(guī)則晶體等“多副面孔”。

而更為重要的是，作為連接微觀與宏觀世界的橋梁，分子篩以其獨(dú)特而精密的孔道結(jié)構(gòu)，逐漸演變成了科學(xué)研究中不可或缺的重要角色。畢竟，生活中近70%的汽油都要靠分子篩的催化裂解產(chǎn)生，80%的催化反應(yīng)中都有它的身影。在二氧化碳捕獲、綠色化工技術(shù)領(lǐng)域，它更是具有不可替代的作用。也正因如此，香港理工大學(xué)副教授勞子桓才注意到這一傳統(tǒng)化學(xué)的核心支柱之一?！把巯?，我們正在籌備一家專(zhuān)注于超大孔沸石大規(guī)模合成的公司?！眲谧踊竿嘎读俗约貉芯康淖钚聞?dòng)態(tài)。這既是他十?dāng)?shù)年深耕領(lǐng)域的積淀，也是他近期新技術(shù)的轉(zhuǎn)化。

近日，勞子桓與合作者的學(xué)術(shù)論文再登《科學(xué)》（Science）。文章中記載了他們開(kāi)發(fā)能夠精確定位H-ZSM-5沸石中鋁（Al）原子技術(shù)的攻關(guān)過(guò)程與有力論據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了單鋁分布和鋁對(duì)分布的精確測(cè)定。通過(guò)結(jié)合共振軟X射線(xiàn)衍射和分子吸附技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)還直接表征出了鋁對(duì)的存在及其與氨分子的相互作用。這無(wú)疑在一定程度上解決了一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的科學(xué)問(wèn)題——沸石中鋁位置測(cè)定。“因?yàn)榉惺卿X硅酸鹽礦物，而我們都知道鋁和硅的電子數(shù)極為相近，所以定位鋁是很難的。”勞子桓補(bǔ)充。也就是說(shuō)，被證實(shí)的鋁對(duì)的存在不僅為沸石催化劑的精確設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定了重要基礎(chǔ)，也為理解沸石的催化活性、分子吸附幾何形狀及反應(yīng)機(jī)制提供了新的視角，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。但有些意外的是，勞子桓并不是很喜歡去設(shè)計(jì)、臆測(cè)很遠(yuǎn)的未來(lái)，“我走入科研是因?yàn)橄矏?ài)，不是為了要從中得到什么，所以我只需要把當(dāng)下的每一步走好，再抬頭看看目之所及的幾步路，確認(rèn)好方向，就很好”。

志趣凝碩果

在任何人口中，勞子桓都不是一個(gè)“古板”的研究者形象。往遠(yuǎn)了說(shuō)，多年的海外生活讓他身上處處有著東西方文明互鑒后的影子；往近了看，他一直為自己留存著一片廣袤的精神原野，并要求團(tuán)隊(duì)成員也不要讓生計(jì)填滿(mǎn)生活——至今，他仍未實(shí)行過(guò)“打卡制度”，并“強(qiáng)制”規(guī)定所有成員每周必須至少有一天休假時(shí)間，把時(shí)間留給自己。社會(huì)發(fā)展的指針不斷加速，他卻順應(yīng)自己的節(jié)奏偶爾徐行，不斷調(diào)試身心?！拔沂冀K相信一味埋頭工作、閉門(mén)造車(chē)是做不出好成果的，至少我們要知道周?chē)荚诎l(fā)生什么，身邊有哪些問(wèn)題是值得我們思考進(jìn)而去解決的。這算是‘松弛感’嗎？我不知道?！钡珶o(wú)形中，就是這樣自在松弛的狀態(tài)疊加濃濃的煙火氣，構(gòu)成了勞子桓十?dāng)?shù)年如一日的科研基調(diào)。

細(xì)數(shù)勞子桓的過(guò)往履歷，那可能會(huì)是許多人夢(mèng)寐以求的成長(zhǎng)路徑。中學(xué)入讀英國(guó)雷丁學(xué)校，他在這座歷史長(zhǎng)達(dá)900年的文法學(xué)院中為情緒表達(dá)和興趣愛(ài)好找到安身之處；大學(xué)考入牛津大學(xué)，而后在那里完成了本碩博的求學(xué)生涯，立于世界一流學(xué)府的平臺(tái)之上眺望激蕩于心的“詩(shī)和遠(yuǎn)方”。但他卻說(shuō)，旅居英國(guó)十年，自己其實(shí)也不知道最開(kāi)始為什么會(huì)選擇扎根這片土壤，“大概就是因?yàn)榧胰斯ぷ鞯年P(guān)系，我從小就要在澳大利亞和英國(guó)之間跑來(lái)跑去，后來(lái)也是被家人安排定居在英國(guó)讀書(shū)，我那時(shí)候沒(méi)有追究過(guò)背后的原因，但西方文化的確影響了我形成‘做事要從興趣出發(fā)’的特點(diǎn)”。

所以，選擇走入化學(xué)系是因?yàn)閱渭兊南矚g?！拔覍?duì)物質(zhì)的分子特性、原子特性一直特別感興趣?！彪m然那是一個(gè)肉眼看不到的微觀世界，卻可以從獨(dú)特視角解析清楚物質(zhì)的本源結(jié)構(gòu)。抱著這樣的想法，從博士階段起，勞子桓便跟隨導(dǎo)師曾適之教授探索新化合物和材料在多相催化過(guò)程中的應(yīng)用，尤其是在先進(jìn)無(wú)機(jī)材料（納米結(jié)構(gòu)材料、介孔材料、分子篩、復(fù)合金屬氧化物等）的表征應(yīng)用，為推動(dòng)精細(xì)化工催化等方面的卓效進(jìn)展奠定基礎(chǔ)。

在當(dāng)時(shí)的勞子桓眼中，曾適之教授是“看得見(jiàn)的哲理”“有分量的航燈”，直到現(xiàn)在，憶起人生中的良師益友，他仍會(huì)將曾老師擺在首位?！安贿^(guò)前陣子曾老師因病逝世了?！迸断⒌耐瑫r(shí)，勞子桓語(yǔ)氣中是掩不住的遺憾。好在歲月無(wú)言，歷久彌新的影響力卻有聲，近年來(lái)勞子桓的許多研究中，仍會(huì)時(shí)常出現(xiàn)導(dǎo)師的名字，他們用行動(dòng)踐行了科學(xué)無(wú)分國(guó)界，就連超大孔沸石大規(guī)模合成公司的地基上，也鐫刻著合作創(chuàng)新的光輝歷程。

關(guān)于定位沸石中鋁的分布及探究反應(yīng)底物的三維立體特異性吸附問(wèn)題，早在2014年便走入了勞子桓的視野?！耙?yàn)檫@與許多催化反應(yīng)（比如甲醇升級(jí)和烴類(lèi)裂解中的催化性能）密切相關(guān)?！彼a(bǔ)充道。于是在初期研究中，他聯(lián)合導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)使用了一系列探針?lè)肿樱ū热邕拎ぁ⒓状己桶保?，曾間接探測(cè)過(guò)H-ZSM-5沸石中的相關(guān)化學(xué)特性。盡管取得了一定進(jìn)展，但他慢慢發(fā)現(xiàn)沸石化學(xué)中仍有許多關(guān)鍵問(wèn)題尚未解決，比如直接確定沸石中鋁的晶體學(xué)位置、濃度和分布仍然極具挑戰(zhàn)性，“當(dāng)時(shí)主要是缺乏合適的表征方法”。因此，雖然粉末X射線(xiàn)衍射（Powder X-ray Diffraction，PXRD）和固態(tài)核磁共振（Solid-State Nuclear Magnetic Resonance，NMR）研究已經(jīng)證實(shí)骨架鋁位點(diǎn)是非隨機(jī)分布的，但由于鋁和硅的散射因子幾乎相同，還是導(dǎo)致傳統(tǒng)的表征技術(shù)受限于分辨率與三維縱深分辨能力。

▲勞子桓團(tuán)隊(duì)2025年合照

為此風(fēng)雨十年，勞子桓在后來(lái)的研究之中，決意通過(guò)結(jié)合探針輔助技術(shù)和共振軟X射線(xiàn)粉末衍射來(lái)解決上述問(wèn)題，并在鋁和硅的K邊能量以下收集了衍射數(shù)據(jù)。而這其中，仍然少不了由曾適之教授領(lǐng)銜的同步加速器實(shí)驗(yàn)室英國(guó)鉆石光源（Diamond Light Source）I10與I11光束線(xiàn)團(tuán)隊(duì)的身影，“針對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置我們共同商定進(jìn)行了改造，才讓本次研究得以順利完成”。這是導(dǎo)師的幾乎最后一份“饋贈(zèng)”，也是勞子桓篤定由此捧過(guò)接力棒的傳承。

人勤萬(wàn)象新

回到香港，對(duì)于勞子桓而言，既是生活環(huán)境的改變，也是又一程守正創(chuàng)新的開(kāi)始。土壤肥沃自能枝繁葉茂，這是勞子桓回國(guó)后的第一印象?！捌鋵?shí)我在2016年就到北京參加過(guò)國(guó)際催化大會(huì)（ICC），當(dāng)時(shí)對(duì)于國(guó)內(nèi)研究環(huán)境的改變和發(fā)展速度的提升都非常向往，剛好后來(lái)香港理工大學(xué)有這樣的機(jī)會(huì)，我認(rèn)為是時(shí)候離開(kāi)英國(guó)了?！倍鼮橹匾氖?，張濤院士將“單原子催化”的概念帶入了勞子桓的視野?！斑@意味著，人們對(duì)催化的研究和理解已經(jīng)深入到原子尺度，也就是以化學(xué)最小的極限尺度理解化學(xué)反應(yīng)的催化機(jī)理和本質(zhì)，這令我十分激動(dòng)。同時(shí)，我也在思考，是否能將單原子與團(tuán)簇的相關(guān)概念相結(jié)合，做出可控的團(tuán)簇?！眲谧踊秆a(bǔ)充道。

但完成目標(biāo)之前，基石的穩(wěn)固也是十分必要的。因此，勞子桓選擇在傳統(tǒng)化學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)多向發(fā)展，2019年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先利用MFI分子篩骨架的結(jié)構(gòu)特異性，創(chuàng)造性地用熱重分析儀（TGA）檢測(cè)到了左旋和右旋賴(lài)氨酸在分子篩中的吸脫附行為差異。在充分采用高分辨同步輻射X-射線(xiàn)衍射技術(shù)（SXRD）和原位SXRD-TGA的基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步闡述了吸附強(qiáng)度與立體異構(gòu)吸附行為之間的關(guān)系。最后，結(jié)合SXRD結(jié)構(gòu)精修和理論計(jì)算揭示了左右旋賴(lài)氨酸與分子篩骨架之間吸附結(jié)構(gòu)和結(jié)合能的差異，勞子桓從原子層面揭示了造成差異化吸脫附行為的熱力學(xué)原因和結(jié)構(gòu)差異。相關(guān)論文發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。

隨后，2022年，一篇發(fā)表于期刊《化學(xué)分析》（Chem Catalysis）上，題為《原子分散的三維雙金屬雙原子催化劑及其結(jié)構(gòu)描述》（Atomically dispersed 3d metal bimetallic dual-atom catalysts andification of the structural descriptors）的學(xué)術(shù)文章將可控原子級(jí)雙金屬催化劑變?yōu)榭赡堋Ｍㄟ^(guò)系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋碚餮芯?，勞子桓及其研究團(tuán)隊(duì)不僅實(shí)現(xiàn)了超氧歧化酶（SOD）結(jié)構(gòu)上的高度模擬，同時(shí)證實(shí)了其催化的反應(yīng)活性可比擬天然生物酶。

“天然生物酶在溫和條件下表現(xiàn)出的優(yōu)越反應(yīng)活性及產(chǎn)物選擇性，一直受到化學(xué)和材料的廣泛關(guān)注。不同于均相催化劑的合成，要想在固體催化劑上實(shí)現(xiàn)金屬位點(diǎn)配位環(huán)境及位點(diǎn)分布的高度均一性還存在一定的難度。雖然我們組之前已經(jīng)解析了單、雙和三核銅氧團(tuán)簇在甲酸分解產(chǎn)物的選擇催化反應(yīng)上的活性和選擇性差異，但彼時(shí)仍存在許多懸而未決的問(wèn)題?！钡巯?，情況顯然已經(jīng)悄然發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

據(jù)悉，單原子催化劑均一的活性位點(diǎn)通常表現(xiàn)出高選擇性。作為單原子催化劑的直接衍生物，低核數(shù)負(fù)載型團(tuán)簇催化劑已成為一類(lèi)極具前景的催化材料。理論上，這類(lèi)材料能有效橋接傳統(tǒng)納米材料與原子/分子物種，推動(dòng)負(fù)載型催化劑向分子前沿發(fā)展。然而，該如何精準(zhǔn)合成并表征不同核數(shù)的原子級(jí)催化劑，一直是業(yè)界攻克的重難點(diǎn)。

▲勞子桓在日本SPring-8光源BL13XU光束線(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

在這樣的大勢(shì)之下，2025年，也是勞子桓攻克單原子催化機(jī)理的第十個(gè)年頭，書(shū)桌上沒(méi)有虛度的光陰，分秒中都蘊(yùn)含著量級(jí)的突破——聯(lián)合牛津大學(xué)等單位的研究團(tuán)隊(duì)，他們共同結(jié)合同步輻射與球差掃描透射電鏡等多模態(tài)表征技術(shù)對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原子級(jí)解析，首次在ZSM-5分子篩孔道中“調(diào)配”三原子銅團(tuán)簇（Cu3），將目光從“尺寸效應(yīng)”成功聚焦到“核數(shù)效應(yīng)”?！皞鹘y(tǒng)催化劑研究聚焦納米顆粒的‘尺寸效應(yīng)’，但隨著催化活性中心縮小至原子級(jí)（如單原子、雙原子催化劑），其化學(xué)物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生劇烈變化，這種變化直接取決于活性位點(diǎn)的原子數(shù)目——即‘核數(shù)效應(yīng)’。”勞子桓補(bǔ)充道。同時(shí)，依托2025年度國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（B類(lèi)）的支持，他還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在分子篩界面與構(gòu)效關(guān)系之間扎下根去，致力探尋同步輻射SXRD新方法，以實(shí)現(xiàn)分子篩B酸位點(diǎn)原子級(jí)精準(zhǔn)表征。眼下，他正忙于解釋工業(yè)甲醇制烯烴工藝中誘導(dǎo)期的原因，同時(shí)原位觀測(cè)八元環(huán)孔道口動(dòng)態(tài)修飾，力爭(zhēng)限域高碳烯烴并提升乙烯/丙烯選擇性。

“這只會(huì)是一個(gè)開(kāi)始，”勞子桓表示，“雖然未來(lái)還會(huì)面臨哪些挑戰(zhàn)我并不知道，但我始終認(rèn)為，探究自己喜歡、好奇的東西，熱情是不會(huì)被輕易消磨的，所以我有信心也有耐心，跟隨時(shí)代發(fā)展走入化學(xué)行業(yè)的新紀(jì)元?！?/p>