下载客户端

本科生发高水平论文：科教融汇　助力拔尖学生成长成才

2024-12-18 22:30

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

光催化分解水制氢是一种利用光催化剂在光照条件下将水分解为氢气和氧气的过程，不仅可以制备出清洁能源氢气，氢气还可以用于加氢反应制备高附加值的化学品。

但光催化过程是一个跨越多个时间尺度的复杂反应过程，如何高效制氢是科学家们长期探索研究的重要领域。

近日，化学化工学院丁勇教授课题组相关研究成果在Sci.ChinaChem.（2024,DOI:?10.1007/s11426-024-2358-3）发表，该研究通过构建三元复合催化剂，探索高效制氢的奥秘。2022级化学萃英班本科生臧金诺为文章共同第一作者，2021级化学萃英班本科生宋斌为第二作者。

早在高中时期，宋斌就与化学结下了不解之缘。进入兰州大学萃英学院后，由于对物理化学领域的催化方向感兴趣，他加入了丁勇教授课题组开展科研训练，开展光催化分解水制氢研究。“学院个性化、开放化的培养理念能够让每一位同学都有机会发挥自己的长处，挖掘出自身的最大可能。”臧金诺和宋斌说。

学以致用，探索高效制氢奥秘

催化效率低、光能利用率低、制备出的氢气纯度低等问题是目前横亘在光催化分解水制氢推广落地路上的顽石，这些问题都指向同一个问题———光生载流子的复合重组。

光生载流子指的是光生电子和光生空穴。“只有电子才能将质子还原成氢气，而光照会产生光生电子和光生空穴，如果不进行助催化将两者分离，就会瞬间吸引正负电荷并与其复合，不能再把质子还原产生氢气。”丁勇教授解释说。

光生载流子的复合重组会导致光催化活性较低，光生空穴在催化材料硫化镉（CadmiumSulfide，以下简称CdS）上的积累也会导致CdS被光腐蚀，降低光稳定性。“因此，光生载流子分离在光催化分解水制氢的过程中至关重要。”丁勇教授团队的研究重点就是要实现光生载流子的分离。

在电子显微镜之下观察臧金诺等人的研究成果，可以看到一块薄片上附着着一条条棒状物质和小点，这就是他们构建的三元复合Co8POM@MXene-CdS催化剂。其中，薄片是新型二维材料MXene，棒状物质是CdS，而在CdS上负载的就是氧化助催化剂准立方烷多酸（Co8POM），可以通过EDSmapping观察到多酸中元素的分布。

“简单来说，我们所做的就是通过构建三元复合催化剂，抑制光生电子和光生空穴的复合，从而提高光催化分解水制氢的效率。”臧金诺介绍说。

在这个三元复合催化系统中，MX－ene和立方烷多酸的负载提高了CdS光生载流子分离和迁移效率，光生电子得以从CdS转移到MXene，进行产氢反应。立方烷多酸接受CdS的光生空穴进一步氧化牺牲试剂三乙醇胺，提高了CdS的光催化产氢活性和稳定性。

这一新的催化系统使CdS的光催化产氢活性提升了25倍以上，为光催化产氢领域设计高效、稳定催化剂提供了新的思路。“我们的这项研究提高了太阳能光催化水分解制备氢气的效率，对于应对三大化石燃料枯竭有着一定意义，同时也响应了国家‘双碳’战略。”臧金诺说。

这一催化系统建立的过程并非一帆风顺。

“刚开始，由于对催化机理了解不够清晰，我们先尝试这个体系是否有活性，再去探究它的机理。”经过具体实验操作，他们发现测催化活性的时候存在一个诱导期。“诱导期就是在催化反应刚开始一段时间没有产物出现，也就是没有活性。”

经过和导师丁勇教授进行沟通，团队最终选择改用光沉积的方式，成功消除了诱导期。

导师引路，科教协同育人

“我本身对物理化学的催化方向比较感兴趣。”进入萃英学院后，臧金诺通过学院组织的科研导师见面会认识了从事催化方向研究的丁勇教授，正式开启了他的科研之路。

导师制是萃英学院“三制”培养模式中的重要一环。导师包括学业导师、科研导师、生活导师和朋辈导师，这些导师从思想、学术、专业学习和生活方面对学生予以全方位指导。其中，科研导师主要职责是学术引领和科研能力培养。

臧金诺和宋斌就是通过导师制的双向选择，加入丁勇教授的实验室开展科研训练，开启了科学研究的工作。不止化学化工学院，兰州大学很多像丁勇教授一样的老师，他们愿意让本科生加入课题组中，倾心指导学生。

“化学是什么？化学是Chemistry，就是要不停地try。”作为化学专业的老师，丁勇十分重视学生的动手操作能力。

“这两个学生可以说是我带的所有本科生中，最勤奋的两个人了。”谈及两人的成长，丁勇认为与学生们的努力密不可分。“只要合理安排，不怕辛苦，总有时间能够多走进实验室开展科研训练。”丁勇坦言自己本身就是一个“工作狂”，平时没事总往实验室里跑，但在实验室经常能碰到臧金诺和宋斌。

“过去兰大化学化工学院的老一辈科学家们，在冬天会去黄河里取冰块拿回来作为冷却循环水做实验。在那种困难环境中都能做出那么多成果，现在同学们学习和生活的条件都这么好，更应该加倍努力”。丁勇希望同学们少讲客观困难，多做主观努力，争取更多的学习和科研机会。

“我其实不觉得自己是一个特别勤奋的人。”臧金诺说，“在绩点、综测方面我都比较佛系，我只是把精力都用在了做自己喜欢的事情上。”在臧金诺眼中，科学研究是一件特别有趣的事：“我每一次做实验的时候都很期待实验数据和结果，想知道究竟能不能成功，所以我每天都很有活力。”

今年暑假，臧金诺几乎是在实验室里度过的。“当时得知论文处于修改状态了，我立马就买票回了兰州。”两个月的暑假，臧金诺只回家了两个星期，其余的时间他都在学校里一遍遍修改论文、做补充实验、更正数据。

平台托举，倡导学生个性化发展

在萃英学院培养理念与目标板块，有这样一行字———“培养具有西部情结、家国情怀、世界胸怀，能够勇攀世界科学高峰、引领人类文明进步的自然科学家和社会科学家和医学科学家。”

萃英学院作为兰州大学落实国家“基础学科拔尖学生培养计划”的学院，是拔尖学生自主学习、个性发展和创新培养的重要基地。学院通过建立遴选机制、构建培养模式、实施大师引领，做实导师制，探索书院制和学分制，强化国际化、推进小班化和个性化等措施，搭建了与专业学院高度协同的基础学科拔尖学生培养体系，成为“浸润”“熏陶”“养成”“感染”“培育”一体化的育人品牌与平台。

虽然在大一入学前就对萃英学院有所了解，“但当时并不清楚萃英学院意味着什么，对科研的认识也不清晰，只是觉得能进入萃英学院的人都很优秀。”出于对优秀的向往，臧金诺早早就开始准备加入萃英学院的选拔。“大学学习了一个阶段以后，我才发现科研是非常有趣的，也是实现自身价值的一个方式。”这也更加坚定了他加入萃英学院的决心。

萃英学院专门设立“萃英创新基金”，为学生参与科学研究、学科竞赛、学术交流提供支持。要求和支持每名学生在校期间必须至少主持一项科研项目，促进科教深度融合。

“学院鼓励我们积极参与科研，并为我们开展科学研究提供了很多便利”，臧金诺说。除了导师指导、项目经费和交流实践等，还包括解决在城关校区的临时住宿等具体问题。

萃英学院致力于为学生提供个性化的发展空间、良好的学习氛围和资源支持。在这里，选课不受专业和年级的限制，学生只要完成核心课程的学习，就可以自由修读想学的课程。

“萃英学院给了我们一个自由发展的平台，在这个平台上，学院给我们提供了各种资源将我们托举起来，给了我们很多科研方面的助益。”宋斌把萃英学院比作一座内藏乾坤的大山，山里面是一个广阔的自由天地。“我可以在‘山’里尽情遨游，不用被绩点、综测、保研、奖学金等束缚。专注于科研，最终做出的科研成果也会对你的成长有所助益。”

“学院个性化、开放化的培养理念能够让每一位同学都有机会发挥自己的长处，挖掘出自身的最大可能。”臧金诺和宋斌认为。“努力是必须的，但也要能在科研中找到乐趣，这样才能坚持下去。”在个性化培养方案下，兴趣成为萃英学子学习与科研的驱动力，学生们的自主性也被调动了起来。

宋斌对此有着直观的感受：“我有一个化学班的学长对计算化学和AI深度学习很感兴趣，在萃英学院，他可以跨班级、跨学科去学习相关内容、参与相关研究。”

在宋斌看来，萃英学院给他带来最大的收获是对于他人生观、世界观和价值观的塑造。“你会发现你的眼界开阔了，不止把眼光放在眼前的学业，你的眼光可以看向全国甚至整个世界。你会想要继续到最好的平台深造，做自己认为最有意义的科学研究，未来做一些对人类有贡献的事情。”

在学习和科研之余，宋斌喜欢写诗歌和散文，“写作是和自己对话，在写作中，我可以想清楚很多事。”目前，宋斌已经作为直博生推免至北京大学，等待着他的，是更辽阔的远方和梦想。

谈及对未来的规划，臧金诺表示要进一步深造，继续从事催化方向的研究，“萃英学院的大多数学生都有着明确的学业规划，我们都对科研怀有热爱。”臧金诺说。