中国科学院院士赵东元：在微观世界造孔 用新材料造福社会
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◎记者 王文嫣 王玉晴
著作等身，这是上海证券报记者还未见到复旦大学先进材料实验室主任、中国科学院院士赵东元教授时所了解的信息。作为知名化学家，赵东元在介孔材料领域发表的论文数及被引用率均居世界第一，还因介孔材料研究获得国家自然科学奖一等奖、上海市科技功臣奖等荣誉。
近期，作为“上证·院士说”首期演讲嘉宾，赵东元教授发表了题为《“双碳”格局下化学与未来能源发展》的主题演讲。演讲后，记者就新材料发展、能源转型等话题对赵东元进行了深度专访。
和蔼有趣，是记者接触赵东元后的最新印象。他用生动直白的话语，把记者带入他研究了26年的介孔世界，将功能介孔材料在石油高效利用、锂离子电池电极材料等领域的应用娓娓道来。
研究成果深度推动了石油资源的高效梯次利用，赵东元也因此增加了对能源转型问题的关注。尽管认为化石能源依旧是社会能源的支柱，但为了地球碳循环的平衡，赵东元表示，也需要通过技术革命推动低碳绿色能源的发展。
是“布袋院士”也是“造孔人”
赵东元有个“扫地僧”式的称号——“布袋院士”。这源于2021年，他从北京领到国家自然科学奖一等奖后，把证书放进装教案的帆布袋里，就赶回上海给本科生上课。后来，当赵东元被评为上海市科技功臣时，他在新闻发布会上简短发言后留下一句“谢谢大家，我去上课”，就又一路小跑地离开了。
带着上述“传说”和赵东元见面，记者发现他其实是一位非常好打交道的学者。他的脸上总是挂着笑容，无论问他略显简单，抑或思路有些跳跃的问题，他都会耐心解答，并尽量保证让对方听明白。
关于科研，他说，化学是一门中心科学，也是一门合成学科。化学研究就是通过物质与物质的相互变化来催生世界上本来没有的东西。在他看来，科学家应该坚持创新精神，不计利害，只为是非；科学应该成为中国未来的文化基因，伴随着我们的梦想实现。他还表示，自己的办公室是永远敞开的，欢迎企业界、学术界的朋友来进行自由的探讨……
赵东元自称是一名“造孔人”。20世纪90年代末，还在美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后工作时，赵东元就已接触到介孔材料研究。此“孔”非一般的孔，不是天然存在的，而是通过化学反应“长”出来的。赵东元的工作相当于拿个凿子，在看不到的微观世界里造孔。这是一种孔径在2纳米至50纳米之间的多孔固体，却能直观地看到它的边界、排列，并让它最终落地到达应用端。
赵东元一直专注于基础研究，并曾和学生强调，不要过早涉足应用以免干涉想象力。但介孔材料具备高比表面积、孔道尺寸和孔容均一可控等独特性质，在未来能源、催化等领域具有广阔的应用前景。赵东元团队在科研成果转化方面也是成果斐然，创造了良好的经济效益。
据悉，赵东元团队有40多人，如今从事成果转化的就有10人，还参与成立了3家公司。“化学是唯一有工业支撑的中心科学，如果我们能把科研成果转化出去，就能造福社会。”赵东元说。
“小孔”正在工业界大显身手
赵东元告诉记者，介孔材料非常适合解决硅碳负极材料的体积膨胀难题，在锂离子电池、固态电池上或将有重要应用。其团队正在联合锂电材料企业进行产品开发，目前已完成中试，未来力争打造出世界领先的硅碳负极材料。
持续提升电池能量密度是锂电池业内孜孜以求的目标。不过，目前主流使用的石墨负极不再能够支持电池走向高能量密度。因此，业内将硅碳负极作为下一代负极材料的重要研发方向。硅碳负极是硅和碳的复合物，硅颗粒提供储锂容量，碳材料缓冲体积变化，同时兼顾了较高的比容量与较长的使用寿命。但由于硅材料自身的结构特点，充电时膨胀率非常大，如何解决膨胀问题成为制约硅碳负极材料发展的难题。
“这时候就需要引入介孔材料。”赵东元说，他的团队采用功能介孔材料设计合成与应用独创技术，制备出硅碳负极材料中最核心的碳基材料——均孔碳基材料，构筑了新型高容量近零膨胀介孔碳硅负极复合材料，解决了硅基负极膨胀的关键难题。
公开信息显示，上海洗霸先进材料团队已与赵东元院士团队开展紧密合作，合资成立山东复元新材料科技有限公司，目前，已建成均孔碳基材料年10吨级工业化产线，百吨级工业化产线正在有序推进中。
“利用介孔材料，还能将重油大分子通过中间体转化成高质量的汽柴油。”赵东元告诉记者，该技术已在齐鲁石化得到成功应用并运行多年，油品质量和转化率大大提高，创造了巨大的经济效益。赵东元团队还在构想创造液体的流动性催化剂，与中石化等机构合作将渣油进行裂化。
关于将介孔材料应用到更多领域，赵东元还提到，现在是在复杂体系下研究科学，因此要借助更多的工具和学科交叉融合来推进科研，人工智能就是一个很好的工具，将大大降低试错成本。
化石能源与新能源需达到平衡
物质的转化过程伴随着能量变化，因此，化学与能源息息相关。作为化学家，赵东元也十分关心新材料对能源体系的影响。在专访中，赵东元就化石能源与新能源如何平衡的问题进行了研判。
在碳中和目标引领下，中国能源体系正在重塑。赵东元认为，未来无论新能源如何发展，化石能源可能还将是社会能源体系的支柱。不过，利用化石能源并不代表不发展新能源。为了全球碳循环的平衡，能源体系必须向绿色、低碳、高效发展。化石能源与新能源的关系不是非此即彼，而是各取所长，最终实现能源体系的平衡和可持续。
就中国化石能源体系的改进方向，赵东元认为，天然气值得在中国大力推广和使用。赵东元介绍，相比于煤炭、石油，天然气中碳元素更少，氢元素更多，是十分清洁、低碳的化石能源。中国如果把所有煤炭使用场景替换为天然气，则中国的碳排放量可以直接减少一半。就天然气的来源来看，卡塔尔、俄罗斯都是盛产天然气的国家。将来通过陆地管道进口天然气是非常好的选择。目前中国44%的天然气来自进口，远低于石油77%的进口比例，还未到进口“红线”。
在新能源方面，目前业内有一大投资热点是“风光储氢氨醇”产业链。公开资料显示，这条产业链让风电、光伏等清洁能源发电的去处不再只是电力供应，还可用于制备化学品。该产业链用清洁能源发电制氢，再将氢转化为氨或甲醇。相比于极度活泼的氢，氨、甲醇的运输与存储方便得多，因此可以作为氢能转移与存储的载体。此外，氨、甲醇本身也可以直接用于供能或工业生产。
赵东元从化学科学的角度分析认为，这条产业链值得探索，但要想实现大规模产业化，还有一些关键问题需要解决。尤其是其中的关键技术需要革命性突破，否则该产业链的能源转换效率可能不尽如人意。比如，如何不需高温、高压条件即可实现合成氨，是化学工业中的长期关键难题，尚未被有效破解。再如，目前晶硅光伏组件的制备技术耗能非常大，电解水制氢也尚未达到理想效率。赵东元认为，如果这些能源转换的关键技术获得突破，那么该产业链将具有广阔的发展前景。
就化石能源与新能源的平衡问题，赵东元告诉记者，在可预见的未来，继续使用化石能源不会导致其资源枯竭。他说：“现在的勘探够人类用50年。随着接下来不断勘探，勘探的效果提升，会不断有新的储备被发现。”不过，石油“取之不尽”并不意味着人类可以不加限制地使用石油，因为二氧化碳排放必须有所限制。人类要实现地球上碳元素平衡的目标，就必须发展低碳绿色能源。
