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编辑心得之四:给环境材料研究者几点意见和建议 精选

已有 5376 次阅读 2022-6-30 19:07 |系统分类:观点评述

编辑心得之四:给环境材料研究者几点意见和建议

 

提前说明

 

首先,我不反对做材料科学研究!事实上,现代科学的高速发展绝对离不开各种日新月异新材料的巨大贡献。哪怕是目前热点的塑料或纳米材料等环境问题,它们也都为人类进步和现代化生活做出了巨大贡献。所以,开发各种功能性材料用于环境污染修复、治理或预防是完全应该的,甚至可以说是神圣不可侵犯的!

 

其次,虽然在此提了不少环境材料研究的问题,但并不是说本领域研究方法就比其它领域(比如生物处理、消毒副产物等)的方法就更差或更不合理。真实的情况是,其它领域也有各种方法学问题。但本次只针对了环境材料学,并不是我厚此薄彼,而是因为这方面的稿件我看到的最多。请原谅我不能面面俱到!此外,任何事物都可能有特例,而我说的是通常情况。下面的质疑和建议可能不适用特例甚至有些逆耳,但我总的和根本的目的不是打压环境材料学科的发展,而是希望该领域更好地发展。希望大家在看后面的内容时不要质疑我的写作动机,而多质疑我所提想法的技术合理性。其中不对不好的想法,我非常欢迎大家提出反对意见和增补更有建设性的建议!

 

背景

 

本文是基于我在以编辑角度看过近千篇环境材料投稿后的一些感受和困惑。因为在我看来,现在流行的某些研究方法(或套路)是不太合理的,其结果或不能得出所声称的结论,因此也有可能导致对所新开发材料的误评,并误导后续研究的方向。在此正式地表达我对这些研究方法的不同观点,既是质疑,也是抛砖引玉希望引出大家的重视和思考。所讨论环境材料涉及面较广,包括如催化材料、吸附材料、膜分离材料、污染物检测用材料等,并不特指某一个具体方向。

 

因从小受教于科学家曾经受迫害于传统礼教,所以我一直相信:任何新的全新的科研想法都是值得支持的,哪怕是被当代人以为异想天开不切实际的想法。这种想法已根深蒂固,所以我支持不受任何束缚的创新!但在现代社会,科学研究活动摆脱了封建束缚,现在明显已经不再处于弱势地位,反而是所有人都认同科学就是生产力科技能创造美好生活当然科技也能创造财富。但在这种环境中,有人会不由自主地以创新为名行利己之实,这种情况从很多科研活动糟糕的实验可重复性可见一般(看下图)。所以我逐渐趋向于认为更严谨的科研活动是由必要的,即:在现代社会,任何新的好的想法都是需要经过严格验证的,其结果要经得起考验和质疑! 以下意见和建议即是基于这样的认识而提出。

                          image.png

研究结果可重复性情况数据(https://www.nature.com/articles/533452a

 

意见1:不能把重现性(repeatability)评价当作可重复利用性评价(reusability/recyclability)

image.png

如上图举例所示,作者把一个材料的除污效果连续的测试了4次,结果是每次效果都不错,达到去除率90%以上。但该图所反映的情况只是本材料的连续使用性不错,而不是该材料的可回收利用性好,因为该材料并没有被使用到功能枯竭之后再重生恢复活性。考虑到这种研究方式似乎和可重复利用性的常识不一致,我建议:把所测材料用”坏“后再活化再验证效果(1),以更好的评价材料的可重复利用性。当然,如果开发的目的就是一次性使用材料,可以不用做此类验证。

 

此外,上面结果虽然在30分钟内去除效果达到90%以上,但还不能充分证明该材料的效果好能力大!因为该效果的原因可能只是反应活性位点或吸附位点相对于污染物量来说仍然十分充足。打个比方说,我用手可以轻松把一个矿泉水瓶举几下;虽然看起来我很轻松,但绝不能说我就是个大力士!所谓“路遥知马力”,要真正了解该材料的性能,我建议:一是做铁人三项式长时间高强度测试,比如连续1000小时的效果验证(https://mp.weixin.qq.com/s/7UUWpxiq4gmYEKYw-6HS_Q);二是做举重式极限挑战测试,即故意让环境材料的位点数低于污染物总量,籍此获得到所测环境材料的最大处理能力(2)

 

意见2:不能不和其它材料比较或仅仅只和母物质比

 

据我了解,很多作者似乎希望只用简单的概念展示(demonstrate of concept)就证明某环境材料的前景,其主要理由是科学不同于技术,不需要考虑成本不需要考虑实际情况甚至也不需要考虑比同类型其它物品好。通常举的一个例子是:当年火车比马跑得慢,但并不能说明火车不如马车差,既然有前途的东西并不一定要比现在的东西好,那就无需进行比较。

 

但我个人认为现代科研不应只是展示概念,因为这很容易产生言过其实的问题,这种思维模式也很可能被精致的利己主义者利用从事弄虚作假活动。而火车马车比较的例子,我认为正说明比较是有意义的和必要的,而不是相反。虽然火车是全新概念的事物,但前人仍通过比较展示了其潜力,所以后来者才能不断改进实现火车超越马车的效果。类似的,如果一个新材料被发现或制备,一定也需要有比较,否则怎么证明自己有实力或有潜力呢?当然,比较的结果不一定非要现在就比传统材料好,但只要能展示新材料可以变得更好(比如尺寸更小/用量更少/位点更多)而旧材料不能更好,就够了。但要注意的是,这里所指的新材料不是指多种材料的新组合——这类“新“我觉得仍然是递进式的新,而不是0-1革命式的新。那些递进式的新材料就更需要进行比较了。如果说初始阶段成本高实际条件难等理由是有道理的,那完全不比较同类型材料就有点说不过去了。

 

当然,比较的方式也是有讲究的。很多时候我看到的情况是只和原始母材料比,而不是和常见/通用/公认环境材料比,这种方式我觉得不太合理。打个比方,这就像梁山伯好汉比武,武松与吴用合作,他们两者的功力是一定大于武松或吴用单人的,这种不用想都能知道的结果再做比较有何意义呢?一种更好的替代研究是,可否让武松与吴用合作一起打败林冲呢?或者证明武松+吴用大于两个武松或两个吴用?不能做好比较的研究,给人感觉就是自说自话自以为是。

 

和谁比较?我建议(3):将所开发新材料和常见/通用/公认的环境材料进行性能对比,如光催化氧化领域可选择TiO2,吸附领域可取粉末活性炭,膜分离取聚砜纳滤膜、传感器与传统色谱法对比等。等。且实验尽可能在接近真实污染(如pH、溶氧、浓度范围)条件下操作,避免特意选取对自己有利对他人不利的条件。当然,如果想强调自己的实验条件优势,可以扩大范围。

 

意见3:不能只选用易降解易检测污染物进行环境材料的评价

 

   目标污染物的选择一般是基于环境污染的需求,这自然无可厚非。但某些污染物很容易被降解(如苯酚、甲基橙、染料)或很容易被检测(如用分光光度法),若只是利用它们的这个特点来评价环境材料的性能,就可能有失偏颇。因为该类污染物在对比条件下的降解速度也很快(比如一定时间内达到98%去除率),即便新材料实现了更高(如99%)的效果,也不能充分展示所用环境材料的优异性能。甚至,一点点的效率差别还可能仅仅是实验的正常波动。

 

    就像要证明某医生医术高明,不能只通过普通感冒患者,而应该通过疑难病患者。因此,我建议(4):如果研究目的是要检验或展示某材料的优异性能,至少应该包括一种难降解性物质进行测试。比如,用全氟辛酸来证明某环境材料的强还原脱卤性能,用氨氮或尿素降解来证明某环境材料的强氧化性能,或者用全氟辛磺酸来证明某材料的矿化能力,等。具体物质的选择,我建议同行业人员共同商量定标几个特定的难降解物,则后续大家的研究都可以参考。要说明的是:研究中不是不能有易降解物,因为这很可能是出于解决某环境问题的需要,我此处只是希望不要缺少难降解物质的检验。

 

意见4:不能也不需要做套路化的机理探索和材料表征

 

    做科研要经得起推敲!但有的文章我感觉考虑得不是很周到(客观和主观的原因或都有),作者只是人云亦云的做了套路性展示,而缺乏内在周密逻辑推理。这种情况我深以为不必和不妥。

 

    比如自由基的检测和贡献度研究,有的文章只是用ESR/EPR的特征谱图就想证明某个自由基是主要贡献者,但ESR/EPR结果只能定性而不能定量。另外,ESR/EPR检测方法也有局限的,比如超氧自由基在水中就很难被鉴定(www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004313542200700X),这种情况要排除它的贡献就很难。此外,除使用ESR/EPR技术验证各种淬灭剂的存在外,还需要使用淬灭剂抑制实验来了解特定自由基的贡献度。但很多稿件在使用淬灭剂时只投加一个浓度的淬灭剂,虽然其浓度很大,但仍无法完全抑制污染物降解。这种情况下,最好使用多个浓度的抑制剂进行验证。另外,考虑到自由基之间可能相互转化(意味着投加一种抑制剂可能会抑制掉多种自由基),若要明确区分不同自由基的贡献,则还需要采用多种不同的抑制剂进行排查。最后,作者们还要意识到投加抑制剂时溶氧的影响和抑制剂本身对原反应可能产生的干扰(https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.1c03796)。

 

在材料表征方面,我也有类似的感受。很多稿件虽然提供了一系列套路性的材料展示,如FTIR、XRD、XPS、SEM/TEM、BET、粒径、DFT模拟等,但它们和污染物去除效果的关系却流于表面,即:很少展示连续特征变化导致的连续效果变化。这不禁让我困惑:如果这么多表征都是有必要的,那为什么不能展示它们的相关性?花费颇多(无论金钱还是精力)到最后却不能用来解释和类推,何必呢?如果一开始就知道不必要,为什么要做?难道只是为了满足评审人的需要?果真如此,为何不抗议或改变此评审模式?很多资深作者其实也是评审人,针对这样的展示套路为何睁一只眼闭一只眼?难道没有更好的性能-效果关系表征方法?

   

上述想法,或有同仁会有抵触:之前别人(包括大佬)的文章都是这样写的,似乎并没有问题,为什么现在非要采用新的其它模式呢?!在此我声明:我不想强加于人任何具体的操作方式,此处的建议也并非一定比之前的方法更好。我只是希望提醒:之前的一些研究套路是有逻辑问题的,请在后续研究中考虑使用一种比之前更好的方法,而具体方法由作者自己定!一个人的问题是个人问题,但一群人的问题就是制度问题。我绝不想评或指责某一个人或某一篇文章,而是希望提醒所有环境材料研究者要建立一个更好的评价体系!

 

针对该问题,我建议(5):所做事情要么不做,要做就做得有说服力。如果某材料表征或自由基探索实验不能起到推动环境材料发展的作用,或不能由此结果引导他人做出更好的材料,那就不要做无意义的测试。只要效果好或操作简单、只要方法能被他人验证、或只要他人能造出同样的材料获得同样好的结果,那就是好文章好材料!当然,我不希望大家用一个新的套路来替代现在的套路,因为那不过是换汤不换药。我主张的是实事求是,即通过真正的方法创新来发现问题和解决问题。如果大家能增补更多更好的研究方法,我非常愿意接受并追捧大家的想法。

 

意见5:不能自说自话而从不接受挑战和考验

 

相对其它方向,材料学科是环境领域发展得最快的方向,没有之一!这从其论文数量、期刊数量可以窥见一斑。但蒸蒸日上朝气蓬勃的同时也给大众一个很大的挑战,就是如何从海量自称效果很好的文章中找出真正有用的材料和技术。事实上,我极少看到环境材料同行们重复他人的研究成果或造出同样的材料进行证明(哪怕文章常说制作方法简单易行),这一方面或许是为了避免创新性不够炒剩饭,另一方面或许也是同行们并不认同他人的材料/做法所以不愿重复。虽然环境材料种类数量众多,但我觉得其实很难有本质上的提高。

 

因此,本建议(6)即:要通过第三方平台验证和比较各种环境功能材料!这种平台可以是真实的用户厂家,也可以是国家、省部等各级重点实验室或工程中心。因很多机构本身没有相应的测试仪器,所以最好是找有条件的重点实验室。对于当前日新月异但又泥沙俱下的环境材料,我认为唯有大浪淘沙,去芜存菁,才能去伪存真、以避免劣币驱逐良币效应。当然,在鉴定效果的同时,如果还能进行同台打擂,那就更好了!裁判的选用自然要包括各级专家,但成果的优劣也逃不过普罗大众的眼睛,类似一个科技奥运会(https://blog.sciencenet.cn/blog-465099-1325108.html)。

 

前面的内容我从4个方面提出了5个建议,虽然重要,但我知道他们很容易被套路化,从而让科研仍然处于自说自话的状态。或者说,如果不提出此意见,其它建议就不过是用一个套路替换另一个套路而已。所以,我认为本建议(即通过第三方平台进行材料验证和比较)是本文最重要的建议

 

上述的想法不免挂一漏万,其实很多其它研究细节也都值得深入思考和认真讨论。以下是我和某环境材料领域同仁交流时产生的想法,也供大家思考:

1.  环境功能材料性能的比较不仅要有标准(如光催化可选TiO2作为基准物),也最好设定实验的条件,这样才有可比性和连续性。但环境功能材料的应用场景和实验条件如何确定?比如新开发的材料可以用在现有的污水处理工艺中哪个环节?如果某环境功能材料具有某方面的“特殊功能”,但不是万能的,这个怎么评价?既然涉及该材料的使用方式,也就顺带需要专门的设备和工艺。这些是否都能合理规划?

2.  环境功能材料的低成本、宏量生产问题可能是目前限制大家进行重复验证的主要原因。但原料从试剂级向工业级的转变很难。这就会产生尴尬:不比较不合理,真比较却无法操作,怎么办?如果要执行,是否可以借鉴餐饮行业的做法,让今后实验室制备材料也都留底备用?

3.  环境功能材料应该具有环境兼容性、友好性的,其使用不能产生二次污染或者应尽可能避免二次污染隐患。但环境功能材料本身的毒性、全生命周期等“从摇篮到坟墓”的全链条评价,目前似乎还比较缺乏。而问题是,怎么才能客观准确比较它们的潜在危害?这方面的评价模式似乎还无从着手。

4.  大家都说创新,但如何定义和体现环境功能材料的创新呢?是首次制备(比如石墨烯)、首次表征、还是首次通过简易方法获得?有时候理论机理创新和效果应用创新是相辅相成的,如果只是评价效果,是否偏颇?

5.  学术期刊是指挥棒之一,期刊的喜好从一定程度会引导了人群的走向。在环境材料发展上,学者们希望期刊发挥什么作用?

 

总结和展望

 

科研的最终目的是提高人类的认识或提供可用的技术。无论哪个领域,创新和严谨都应是科研的支柱和基石,理应同等重视,绝不可厚此薄彼。虽然表面上国内外的大环境都只是突出创新宣传创新,但我认为其深层的潜台词是不相信科研会不严谨(即认为严谨是理所当然、不言自明、无需强调的基本常识),而不是说做科研不需要严谨。上述意见和建议,我真心希望它们只做抛砖引玉之用!

 

在本世纪及更远的未来,我相信环境材料学一定会有大发展!但我不太相信在劣币泛滥的情况下良币能有好发展。希望做材料的同仁们携起手来,在本领域推波助澜的同时,共同建立一个良性发展的评价体系,共同维护当下难得的科研创新环境。

 

 




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