一颗“钻石芯”与它的绿色动能

xinwen.mobi · 发表于前天 13:47

一颗“钻石芯”与它的绿色动能
实验室里，谢毅院士手持一块看似普通的金属板，但其中蕴藏的钻石微结构正悄然改变着能源转化的未来。

在安徽省科学技术奖励大会上，一位举止低调的女科学家从人群中走过。她身着一身简洁的实验服，胸前佩戴着一枚菱形钻石形状的胸针——这是她团队最新研究的象征，也是一颗“钻石芯”的故事开端。

2017年，谢毅荣获安徽省重大科技成就奖。彼时的她，已经在中国科学技术大学的实验室里耕耘了二十余载。从纳米材料到二维超薄结构，她的研究始终围绕着如何让能源转化更高效、更清洁。

01 非凡结构，平凡外表
谢毅办公室里的金属板外表平凡，却内藏玄机。钻石的微观结构在其中有序排列，形成特殊的通道，如同一个高效的能源转化工厂。

“当一个材料小到纳米尺度，它的电子结构、声子结构都会发生特殊变化。”谢毅解释道。她们团队的工作正是基于这种电子结构和声子结构的调控，实现其功能最大化。

在谢毅看来，钻石微结构的价值不在于它的璀璨，而在于它独特的物理化学特性。

近年来，金刚石尤其是氮空位（NV）色心在量子传感领域的应用，展示了其在能量转换中的巨大潜力。谢毅团队敏锐地意识到这类材料在能源转化中的应用前景。

钻石微阵列可实现高空间分辨率同步检测，且具有优异的重现性。这种有序结构为能源转化提供了理想的平台。

02 化学世界的神奇之处
1998年，谢毅获得国家杰出青年基金后，开拓了独立的研究方向。她开始注重从固体化学基本原理出发，以物质的内在特征结构为导向来控制无机功能材料的生长。

“上大学时，我起初并不确定是否喜欢化学，直到大四接触各样美丽的固体结构，才发现化学这么神奇。”谢毅回忆道。

她高中时最喜欢物理，没想到高考时化学考得特别好，1984年被厦门大学化学系录取。

在大学毕业后，她曾在合肥一家化工厂工作4年，这段经历“炼就”了她注重细节、不怕困难的作风。上世纪90年代，她投身中科大钱逸泰院士门下读博士，正式开启了她的学术之路。

在谢毅的科研道路上，有几次非常清晰的“转型”。从溶剂热制备非氧化物的建立，到发展特征结构构筑无机功能材料方法学，再到深入研究无机固体中的电、声调制。

03 钻石芯的绿色使命
2023年4月，在南京航空航天大学的一场线上学术报告中，谢毅从本世纪以来全球出现的气候异常、极端天气变化等典型案例出发。

她阐述了温室效应对人类社会发展造成的负面影响，随后从化学工作者的角度和思路，结合自己团队研究工作，讲述了低维固体的电/声结构调控及其应用于二氧化碳转化的最新进展。

二维材料作为催化剂在拓宽光谱吸收范围、提升载流子分离效率和优化表面催化反应路径等方面，对于改善二氧化碳还原性能展现出独特优势。

谢毅领衔完成的“将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂”成果，入选科技部评选的“2016年度中国科学十大进展”。

国际同行评价这项成果为“一项基础研究的突破”。

04 产学研的创新之路
在谢毅的实验室里，几种新材料已经完成实验室规模性制备，有些正在中试，有些则正在和企业洽谈。

“从运用的角度来说，这些都是做能量转化中非常重要的材料。”谢毅透露。她们团队主要用一些现代物理表征手段，在纳米尺度下更加清晰地获悉固体材料的原子结构、电子结构。

探索实现一些更加重要的化学转化反应，从而获得一些有意义的新材料。

谢毅团队成功研制出的新材料中，有几种已经完成实验室规模性制备，有些正在中试，有些则正在和企业洽谈。

这些材料在能量转化中具有重要应用价值。

谢毅坦言：“随着研究的深入，出成果的周期越来越长，必须沉下心学习一些交叉领域不同学科的知识。”

她认为，新的学科生长点一定在学科交叉的地方产生，探索过程肯定更加漫长和辛苦，但这是科学发展的必经途径。

05 未来的能源转化图景
在谢毅团队的近期研究中，二维超薄结构在二氧化碳还原中的应用展现出巨大潜力。

她们发现，二维超薄结构具有特殊电子态的基本规律，并阐明了其在光电催化及热电转换等重要能量转换中的清晰构效关系。

这些发现为相关领域的新材料设计提供了物质基础。相关成果曾入选《中国科学十大进展》及两次入选《中国科学院重大科技基础设施重大成果》。

课程结束后，谢毅就如何从材料设计的角度提高二氧化碳的利用率、如何构建双金属活性位点、如何改善气体扩散电极水淹以及氧空位的再生等问题与线上师生展开了热烈讨论。

她深入浅出地就大家的疑问给与了一一解答。

如今，谢毅团队研制出的新材料中，有几种已经完成实验室规模性制备，有些正在中试，有些则正在和企业洽谈。这些材料在能量转化中具有重要应用价值。

走进谢毅的实验室，她正指导学生观察钻石微阵列在二氧化碳转化中的表现。数据显示，新型催化剂的光电转化效率比传统材料提高了近三倍。

钻石芯的绿色动能，正悄然改变着能源转化的未来图景。

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