文 ｜ 《中國科學(xué)報》記者 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Nature論文。剛步入35歲的他，給自己送了一份新年大禮。
這距離2021年1月投稿的日子，已過去整整2年時間。這2年中，他經(jīng)歷了第1輪就被拒稿，4輪修改，關(guān)鍵環(huán)節(jié)審稿人還失聯(lián)了，最終他用專業(yè)和真誠打動了審稿人和編輯。
(資料圖片僅供參考)
在論文中，周鵬他們開發(fā)了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實(shí)驗(yàn)的近10倍。同時該方法成本低廉，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，也讓他更堅(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。期待學(xué)成歸國，繼續(xù)展開相關(guān)的研究。”周鵬說。
周鵬
師弟“點(diǎn)穴”，使研究柳暗花明
這天，正在密歇根大學(xué)做博士后的周鵬照例和北京大學(xué)的師弟線上討論課題。自周鵬從北大博士后出站已有半年時間，此前未完成的課題仍需師弟推進(jìn)，所以他們時不時就開會討論。
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，因此幾乎所有的光催化反應(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。
一瞬間，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，或許能促進(jìn)反應(yīng)效率？”
到密歇根大學(xué)半年來，他一直苦惱于提高反應(yīng)效率的問題。在光解水制氫的問題上，所在課題組已將效率提高至3%，這是同類研究反應(yīng)效率的3倍。半年來，他嘗試設(shè)計了很多種催化劑材料，希望能得到新的、更高效的催化劑。然而，這些實(shí)驗(yàn)均以失敗告終。
周鵬說，“所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都在對我說，課題組現(xiàn)有的催化劑材料已經(jīng)到了天花板。”他整個人也變得十分沮喪。
直到師弟看似無心的一記反問，在周鵬頭腦中恰似一記驚雷。他一直在催化劑結(jié)構(gòu)上打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，卻忽略了催化劑的反應(yīng)環(huán)境對性能影響的問題。
“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《中國科學(xué)報》。
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，“早年間人們用廢報紙糊墻保暖，我們在實(shí)驗(yàn)中用廢報紙糊在反應(yīng)器上，使其成為一個保溫桶。”周鵬說。另一方面是增強(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，也和常規(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），最高能夠經(jīng)受800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，收獲了意想不到的效果。
“科研中的idea真是太重要了。當(dāng)思路打開之后，我們花8個月時間就完成了實(shí)驗(yàn)，如果不是疫情耽誤了一些基礎(chǔ)材料的購買，會做得更快。”周鵬說。
用真誠打消審稿人、仲裁人的質(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Nature雜志。
經(jīng)過3個月的第一輪審稿，便收到了編輯的拒稿消息。周鵬反復(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。
周鵬不甘心，于是便寫了長長的解釋信件，并補(bǔ)充了一系列的數(shù)據(jù)，一一解答了審稿人的疑慮。并表達(dá)了他們對拒稿結(jié)果的異議。
就這樣，來回經(jīng)過了兩輪的補(bǔ)充和解釋后，原本以為打消了編輯和審稿人的顧慮，但又出了意外，一下好幾個月過去了，那邊音訊全無。
“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，編輯只好另找了兩個人，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，“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，他們已經(jīng)解決了目前提出的大部分問題，且此前的審稿意見并不完全適用于這項(xiàng)研究。同時他們也重新提出了一些問題。就這樣，又進(jìn)行了一輪的修改調(diào)整，這篇論文終于得以接收。
“在整個審稿過程中，我們遵循實(shí)事求是的原則，目前沒有解決的問題、研究中有待完善的地方，如氫氧分離問題，都大大方方地承認(rèn)，并闡述清楚研究的主要目的。后來想想，或許正是我們的真誠打動了仲裁人和編輯。”周鵬說。
送給自己35歲最好的禮物
進(jìn)入到2023年，周鵬也跨入了35歲的門檻，這篇Nature論文成果，無疑是他送給自己35歲最好的禮物。
回想起3年前，周鵬剛從北京大學(xué)博士后出站，手握著6、7篇論文成果，也有相對不錯的學(xué)校向他拋出橄欖枝。但他思考再三，決定赴密歇根大學(xué)再做一個為期3年的博士后。
“當(dāng)時做了很多利用新材料進(jìn)行光催化反應(yīng)的研究，但沒有一個能用于工業(yè)生產(chǎn)。事實(shí)上，光催化制氫從1976年發(fā)展以來，在整個領(lǐng)域內(nèi)，也幾乎沒有研究能走到工業(yè)車間進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。究其原因，我認(rèn)為是對催化反應(yīng)系統(tǒng)的研究不足。”周鵬對《中國科學(xué)報》說，“相對于催化反應(yīng)系統(tǒng)來說，催化劑材料的研發(fā)周期短、論文成果更好發(fā)，相關(guān)的研究我也做了不少，算是比較熟悉這類論文的‘套路’。”
“我希望，能做點(diǎn)與以往不一樣的東西。當(dāng)我不再需要用論文篇數(shù)來證明自己的時候，就希望專注于耗時更長、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，他們利用太陽能作為能量來源，完全清潔，將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣的效率達(dá)到9%，是同類光解水制氫實(shí)驗(yàn)的近10倍。同時成本十分低廉，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，繼續(xù)設(shè)計出新的制備方法，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。
相關(guān)論文信息：
DOI：10.1038/s41586-022-05399-1
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