施润研究员简介

施润 

中国科学院

理化技术研究所

施润，中国科学院理化技术研究所研究员。聚焦三相界面催化领域，开发了探针标记的三相界面物相与分子识别新方法，提出了半浸润气-液-固催化界面的反应物扩散增强策略，首次报道了水为氢源的三相电催化乙炔还原制乙烯反应策略，并发现了超浸润液-液-固催化界面的有机物-电解质跨界面扩散抑制现象，实现了高纯度芳香醛类有机试剂的电催化直接合成，在多相光、电催化领域做出了重要贡献。

专访施润研究员

获得“2024年Carbon Energy·金茶花奖”，您有什么样的感受？

该奖是我学术生涯获得的首个个人学术奖项，其重要性对我来说自然是不言而喻的，这不仅是对我近五年取得的阶段性成果的极大肯定，更是一个辞旧迎新、开启新的五年科研生活的关键节点。无论是得知获奖时的喜悦，还是登上领奖台时的激动，我都历历在目。从奖项的申请到最终获奖的整个阶段，对我来说是一段难忘的经历。我想，当我再次感到自卑和一事无成的时候，只要回想起这段经历，回想起曾经的付出和回报，正能量一定能够迅速打消所有负面情绪，鼓励我继续向前。

同时，在我拿到那充满艺术气息的沉甸甸的奖杯时，我忽然意识到这份荣誉的来之不易，还有未来科研工作的任重道远。我与其他获奖者聊天时，发现与他们相比自己的学术水平还有很大提升空间，自身的科研能力、眼界、素养、精神还远没有达到优秀的水准，任何沾沾自喜、停滞不前的想法或举动都是对这份奖励的侮辱，我也会时刻谨记，善用这份来之不易的荣誉，让它成为鼓励我勇往直前的动力，而不是诱惑我固步自封的绊脚石。希望我的科研道路以及Carbon Energy等一众优秀国产期刊，能够像金茶花一样熠熠生辉、历久弥新。

您能否分享一下您的学术旅程，是什么激发了您对化学和材料科学的兴趣？

也许，最初激发我对化学的兴趣来自于高中时期的化学课代表经历，当时化学老师对待化学学科的热情和专业素养潜移默化地影响了我，让我一直对化学充满兴趣。但我的学术旅程的真正的起点应当是研究生时期。我的学习成绩一直不算突出，大学阶段不懂得如何接触前沿科学，错失了早期的科研训练机会。因此，直到研究生时期，在中国科学院理化所张铁锐老师的指导下，才算是真正对化学和材料科学的前沿研究有了直观的、理性的认识。

实际上，我的学术旅程和科研兴趣主要还是跟随导师的研究，很难说我的研究方向有多少是自己选择的结果，但这丝毫不影响我对相关研究的兴趣。我甚至发现，自己对对化学和材料科学的热爱程度还在不断加深。俗话说，干一行爱一行，行行出状元。我认为，也许最初的兴趣根本不重要，因为在把一件事情作为事业之前，所谓的“兴趣”只是主观的想象，很可能离现实相当遥远。以导师的课题为起点，勇于提出自己的想法，大胆假设，小心求证，通过不断地试错，一步一步稳扎稳打，逐渐积累科研成果与经验教训，方能逐渐找到真正意义上的、值得为之付出十年甚至一生的“兴趣”。

您能否简要介绍一下您在三相界面催化领域的主要研究方向？此外，您能与我们分享一下您从事这一特定研究领域的契机吗？

催化科学作为化学、材料学及界面科学的重要交叉领域，百年来得到了广泛研究及应用，是人类社会发展前进的基石。发展可再生能源（太阳能、清洁电能等）驱动的、更加绿色高效的催化体系，是该领域应对全球能源与环境挑战，助力实现我国“双碳”发展战略的前沿研究方向。

三相催化（Triphase Catalysis）是催化科学的重要分支，指三个不互溶的物相间发生的催化反应过程，其概念最早可追溯至1975年。对于一系列重要的光、电催化反应（如制氢、固碳、固氮等），气相反应物/产物、液相反应环境、固体催化材料等物相共存，因此均属于三相催化。三相催化包含浸润、黏附、界面输运等有别于均相催化或气-固、液-固两相催化的行为，因此我的研究方向为三相界面光、电催化，研究工作从气、液反应物/产物在三相界面的浸润与输运行为出发，揭示催化材料的微观结构与浸润状态对内扩散、界面吸附、化学转化、分离纯化等催化反应关键过程的影响机制，从而指导一系列新型、高效催化反应体系的设计开发。

三相界面光、电催化研究工作总结

我最初研究三相界面催化的契机来自与江雷院士的沟通交流。大约在2017年左右，彼时的我还在攻读博士学位，以研究光催化分解水产氢为主。在机遇的指引下，我了解到江雷院士团队在仿生超浸润方面的研究工作，并尝试将研究课题切换至三相界面电催化二氧化碳还原，这在当时是很新的研究方向。虽然几乎没有任何经验，但经过几次深入坦诚的交流，界面浸润性、气体扩散传质等三相界面催化的重要概念已经在工作中得到了初步体现，经过约四年的努力，该工作最终发表在Nature Communications，这是我发表的第一篇关于三相界面催化的研究工作，也让我在三相界面催化领域继续研究的信心更加坚定。

您在三相界面催化领域的研究中取得了哪些关键性的成果？

我的研究工作聚焦三相界面传质-反应机制解析与催化体系设计，主要研究成果包括：

（1）开发了探针标记的三相催化界面物相与分子识别新方法，实现了催化界面微观浸润与传质行为的高分辨成像与定量分析。

（2）提出了基于半浸润气-液-固催化界面的反应物扩散增强策略，实现了低浓度二氧化碳（模拟烟道气转化）、一氧化碳（工业氢气提纯）、乙烷（页岩气直接制乙烯）、氧气（微塑料污染物矿化）的高效光催化转化与利用，并在国际上首次报道了水为氢源的三相电催化乙炔还原制乙烯路线。

（3）发现了超浸润液-液-固催化界面的有机物-电解质跨界面扩散抑制现象，实现了三相电催化高纯度苯甲醛直接合成。

您提出的半浸润气-液-固催化界面的反应物扩散增强策略在实际应用中有哪些优势？

半浸润气-液-固催化界面的最大优势在于促进低浓度气体反应物的快速界面传质。在催化领域，有一些需要处理极低浓度气体反应物的实际应用场景，例如工业乙烯原料气中的低浓度乙炔杂质的转化、粮仓防腐设施中低浓度氧气的去除、燃料电池中低浓度一氧化碳的快速消除、载人密闭空间中低浓度二氧化碳、污染物的高效转化等等。

随反应物浓度下降，其向催化剂表面的传质过程会逐渐成为催化反应的速控步骤。而传统液固相光、电催化反应体系中，气体反应物的传质速率严重受限于液相溶解与扩散过程，当反应物浓度过低时，催化反应几乎无法进行。不同于液相，气相对于气体分子的输运过程是十分有利的，理论上能够将扩散系数提升约四个数量级，从而大幅促进气体分子的扩散-反应过程。除了气体分子，室温光、电催化反应通常还需要考虑水分子、电解质离子等液体物质与催化材料的有效接触，这一点可以通过调控气-液-固界面的浸润性进行优化。实验和理论研究显示，半浸润气-液-固界面能够同时实现低浓度气体与液体反应物的高效界面传质。因此，我认为构筑半浸润气-液-固催化界面是促进低浓度气体反应物扩散传质的理想策略。

您首次报道的水为氢源的三相电催化乙炔还原制乙烯反应策略，对工业生产有哪些潜在的影响？

工业乙烯原料中通常含有0.5-2.0%的乙炔杂质，会严重影响下游聚乙烯生产过程的稳定性及产品质量，目前主要采用热催化加氢技术对乙炔进行预去除。粗略估算每年用于乙烯提纯需要消耗的氢气量达到1.7✕10⁹ Nm³，且氢气的引入极易引发乙烯过渡加氢，导致乙烯原料的损失以及后续复杂的气体分离操作。

我们提出了以水为氢源的气-液-固三相界面乙炔还原制乙烯反应路线，并发现了非贵金属铜基电催化材料具有突出的乙炔选择性还原性质，解决了富乙烯气氛中痕量乙炔在电催化界面的传质-反应难题，实现了高达99.9%的乙炔转化率以及90%的乙烯产物选择性，将尾气中的乙炔含量降至5 ppm以下，实现了聚合级高纯度乙烯的连续生产，反应速率、产物选择性等多项核心性能指标达到了当时文献报道的最优值，并且相比于热催化加氢工艺路线具有零氢气消耗、零碳排放（采用可再生电力）、室温常压等优势，为代替传统高能耗炔烃加氢及烯烃提纯催化反应过程提供了新思路。

我认为，该策略相比于工业催化的核心优势在于以水为绿色氢源取代氢气，并且由电力驱动取代热驱动，对于相关工业生产过程的新质生产力转型有一定启发性，也有望为煤基乙炔制乙烯、二烯烃选择性加氢等相关反应提供更加绿色高效的反应路线。

您的研究成果如何推动多相光、电催化领域的技术进步？

我的研究工作主要还是从基础研究角度出发，验证三相催化这一多相催化领域的古老概念在一系列重要的新型光、电催化反应中的可行性，为光、电催化领域寻找新的突破口，同时加深了人们对于三相催化的反应机制的理解，让更多从事相关研究的同行意识到催化界面的微观浸润性、传质行为以及反应器件的设计对于优化催化反应综合性能的重要性。

‍▲首届Carbon Energy·金茶花奖颁奖

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。

Carbon Energy 2019年创刊，同年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，连续两年获“中国最具国际影响力学术期刊”称号，连续三年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，2022和2023年入选中国科学院材料科学一区TOP 期刊，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD等收录，2024年获得第三个影响因子19.5。

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