中國工程院院士吳明紅

在獨創(chuàng)獨有上下功夫，在腳踏實地上做文章，在廣度深度上求突破，推動先進環(huán)境功能材料體系的創(chuàng)新與發(fā)展，力爭先進環(huán)境功能材料在減污降碳協(xié)同增效應(yīng)用中的不斷突破，為我國“雙碳”目標實現(xiàn)與生態(tài)文明建設(shè)作貢獻

文 |《瞭望》新聞周刊記者 張建松 吳振東

中國工程院院士、上海大學(xué)有機復(fù)合污染控制工程教育部重點實驗室主任吳明紅，長期面向環(huán)境保護與生態(tài)文明建設(shè)這一國家重大戰(zhàn)略需求，將多介質(zhì)環(huán)境協(xié)同保護與綜合治理作為主攻方向進行技術(shù)攻關(guān)，率先在工業(yè)源揮發(fā)性有機物治理、室內(nèi)復(fù)合污染高效治理和特種工業(yè)廢水治理研究領(lǐng)域，取得了一系列突破性的成果。

深耕研究領(lǐng)域20多年，她帶領(lǐng)團隊率先提出先進材料的尺寸、表面、層間調(diào)控技術(shù)方法，設(shè)計和研發(fā)了“石墨烯基”高性能環(huán)境功能材料體系，通過皮秒級光電子轉(zhuǎn)移、界面π-π吸附、離子插層等技術(shù)手段，實現(xiàn)了功能材料對環(huán)境污染物的高效催化、選擇吸附和精準篩分。

今后，可借助先進功能材料的結(jié)構(gòu)微調(diào)控方法，針對環(huán)境多介質(zhì)復(fù)合污染協(xié)同治理的難點，進一步發(fā)展與完善高性能環(huán)境功能材料體系，實現(xiàn)復(fù)合污染物的高效去除及治理工程應(yīng)用，這對于有效應(yīng)對“雙碳”戰(zhàn)略下減污降碳、協(xié)同增效的重大需求具有重要意義。

功能材料為環(huán)境治理提供新途徑

《瞭望》：從你的研究領(lǐng)域看，研究方向如何與國家“雙碳”戰(zhàn)略契合？

吳明紅：優(yōu)化協(xié)調(diào)減排和治理過程，減少碳排放和能源消耗，達到減污降碳協(xié)同增效，是環(huán)境保護領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標的有效途徑。在環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，減少污染的源頭排放、加強污染的治理力度是污染控制與修復(fù)的主要方式。

尤其是在加強多介質(zhì)復(fù)合污染協(xié)同治理方面，一直面臨重大挑戰(zhàn)。一方面是因為多介質(zhì)復(fù)合污染成分復(fù)雜，具有有機污染物、無機污染物、高分子化合物、重金屬等，同時各污染物之間相互作用還會形成耦合、螯合等復(fù)合污染物。另一方面是多介質(zhì)復(fù)合污染危害性大，苯環(huán)、雜環(huán)等有機物穩(wěn)定性強、毒性高、難以降解，對環(huán)境安全和人體健康造成嚴重威脅。

環(huán)境功能材料因其優(yōu)異的納米隧道效應(yīng)、光電化學(xué)性能、可調(diào)的減污降碳功能以及滿足環(huán)境多介質(zhì)復(fù)合污染治理需求的特性，為減污降碳協(xié)同增效背景下的環(huán)境治理，提供了新方法、開辟了新途徑。

一方面，可以通過開發(fā)“污染治理”與“節(jié)能降耗”兼具的環(huán)境功能材料體系，實現(xiàn)對污染物的高效吸附、動態(tài)催化降解與選擇性資源化篩分。

另一方面，可以通過開發(fā)“溫室碳捕獲”與“新能源開發(fā)”并舉的環(huán)境功能材料技術(shù)體系，實現(xiàn)對二氧化碳、甲烷等溫室氣體的高效吸收與轉(zhuǎn)換，以及新型無碳能源（如氫能）的安全穩(wěn)定再生。

創(chuàng)新應(yīng)用功能化石墨烯材料

《瞭望》：你一直致力于將功能化石墨烯材料應(yīng)用于多介質(zhì)復(fù)合污染協(xié)同治理，在這方面取得了哪些研究成果？

吳明紅：20多年來，我們一直致力于以石墨烯為代表的先進材料合成制備、功能優(yōu)化與批量生產(chǎn)，并將這些先進功能材料在多環(huán)境介質(zhì)保護與修復(fù)中的應(yīng)用作為主攻方向，在該領(lǐng)域取得一系列突破性成果。

我們率先發(fā)現(xiàn)了石墨烯與苯系物之間具有強烈的π-π相互作用，并據(jù)此自主研發(fā)了石墨烯耐高溫復(fù)合分子篩，提高了有機污染物的選擇性和催化效率；憑借化學(xué)裁剪法和分子融合法，研制了單晶結(jié)構(gòu)、邊緣功能化的石墨烯量子點催化劑，其催化活性可通過尺寸和邊位修飾進行雙重調(diào)控，實現(xiàn)了污染物在室溫、可見光條件下的高效、動態(tài)催化降解；通過在氧化石墨烯層間插入金屬水合離子，首次實現(xiàn)了石墨烯層間距的埃米級精確調(diào)控，對復(fù)雜有機污染物及金屬離子表現(xiàn)出高效選擇和篩分特性。

目前，這些“石墨烯基”先進環(huán)境功能材料已經(jīng)成功應(yīng)用于空氣、水體等環(huán)境介質(zhì)的污染治理與修復(fù)工程。研究相關(guān)的理論成果陸續(xù)發(fā)表在Nature、Nature Chemistry等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上，構(gòu)建了“理論-技術(shù)-應(yīng)用”的研究體系，獲得了國家自然科學(xué)二等獎、上海市自然科學(xué)一等獎、上海市科技進步一等獎、廣東省科學(xué)技術(shù)一等獎、中華環(huán)保聯(lián)合會科技進步獎特等獎等表彰。

《瞭望》：請詳細介紹一下相關(guān)的科技轉(zhuǎn)化應(yīng)用。這對于環(huán)境保護領(lǐng)域的發(fā)展具有什么意義？

吳明紅：目前，“石墨烯基”功能材料已經(jīng)很好地實現(xiàn)了轉(zhuǎn)化落地，比如中船集團工業(yè)源揮發(fā)性有機物治理、中國國際進口博覽會10萬余平方米場館等室內(nèi)有機污染治理工程、內(nèi)蒙古伊泰化工工業(yè)濃鹽水治理工程、核工業(yè)高放射性廢液處置與資源化工程等。

具體而言，我們基于石墨烯對苯系物的高效選擇性吸附，通過改性石墨烯與傳統(tǒng)介孔分子篩復(fù)合，研制了耐高溫石墨烯復(fù)合分子篩，解決了傳統(tǒng)工藝吸附效率低、安全隱患大、易失活等問題，在提升安全性的同時節(jié)能達20%以上，該技術(shù)方案成功應(yīng)用于江南造船廠所有的揮發(fā)性有機物（VOC）治理工程，治理后的苯系物、總烴等污染物遠優(yōu)于國標和歐盟標準。

同時，我們利用廉價的煤化工原料，成功制備了高品質(zhì)、皮秒級響應(yīng)石墨烯量子點，攻克了規(guī)模化生產(chǎn)難題，有效地滿足了特定場合下“時間緊、任務(wù)重”的室內(nèi)復(fù)合污染高效治理需求，為我國重大活動的應(yīng)急性室內(nèi)環(huán)境高效治理提供了安全保障。

此外，我們構(gòu)建了通過離子調(diào)控層間距的氧化石墨烯膜，實現(xiàn)了對膜分離層精度的精準控制，攻克了氧化石墨烯膜在運行中溶脹和分離層脫落的技術(shù)難題，并據(jù)此批量研制了具有多級離子篩分特性的工業(yè)膜，成功應(yīng)用于內(nèi)蒙古伊泰化工每年千噸級的工業(yè)濃鹽水治理工程中，首次實現(xiàn)了國內(nèi)超大規(guī)模濃鹽有機廢水的近零排放，開創(chuàng)一條水質(zhì)凈化與物質(zhì)資源化協(xié)同的水處理技術(shù)新途徑。

這些科技創(chuàng)新成果的成功轉(zhuǎn)化落地，不僅表明先進環(huán)境功能材料在環(huán)境保護與生態(tài)修復(fù)中，具有很好的性能優(yōu)勢和應(yīng)用前景，還證明了環(huán)境功能材料在污染治理的同時所具備的低碳節(jié)能特性。這對于推動環(huán)境保護領(lǐng)域先進功能材料的不斷發(fā)展與革新、先進功能材料的工程轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，都具有積極的作用。環(huán)境功能材料在實際環(huán)保工程應(yīng)用中所表現(xiàn)的減污降碳協(xié)同增效性能，為“雙碳”戰(zhàn)略背景下環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)的未來發(fā)展開辟了新路徑。

有待突破與發(fā)展的關(guān)鍵點

《瞭望》：推動環(huán)境功能材料更好應(yīng)用于減污降碳協(xié)同增效，未來還需要有哪些突破？

吳明紅：雖然我們團隊在“石墨烯基”先進減污降碳協(xié)同增效功能材料的研發(fā)與轉(zhuǎn)化應(yīng)用中，取得了一定的研究成果，但是，將環(huán)境功能材料應(yīng)用于減污降碳協(xié)同增效中，還有很多可以突破與發(fā)展的關(guān)鍵點。

首先是材料本身的合成制備技術(shù)與功能化水平還有很大的進步空間，目前能夠廣泛應(yīng)用于實際環(huán)境場景的功能化材料只是“滄海一粟”。

其次，大部分功能材料在制備過程中使用了貴金屬或稀土元素，這大幅提升了功能材料的研發(fā)和應(yīng)用成本，同時研發(fā)功能材料批量生產(chǎn)的技術(shù)工藝也是當務(wù)之急。

最后，應(yīng)盡快形成環(huán)境功能材料在減污降碳協(xié)同增效應(yīng)用中的行業(yè)標準，規(guī)范相應(yīng)的技術(shù)體系、工藝路徑、管理模式等。

急國家之所急、想國家之所想。今后，我們將繼續(xù)聚焦國家環(huán)境生態(tài)方面的重大需求，在獨創(chuàng)獨有上下功夫，在腳踏實地上做文章，在廣度深度上求突破，推動先進環(huán)境功能材料體系的創(chuàng)新與發(fā)展，力爭先進環(huán)境功能材料在減污降碳協(xié)同增效應(yīng)用中的不斷突破，為我國“雙碳”目標實現(xiàn)與生態(tài)文明建設(shè)作貢獻�！�