科学家采用功能导向的分子识别与组装，解决生命健康领域关键问题

生物质来源于丰富的可再生资源，是建设绿色可持续社会的化石燃料的有前途的替代品。

具有定制的分级孔结构、大的比表面积和各种表面功能团的生物质基炭材料，已被广泛研究，有望为能源和催化相关材料提供新的解决方案。

近年来，生物基炭材料已经成为研究热点，大型的国际生物基材料以及碳材料大会皆以未来全球可持续发展为目标。

图｜张亚刚（来源：张亚刚）

不过，目前各大会议多集中讨论科研的最新进展，对领域存在的问题讨论较少。

基于此，来自电子科技大学的张亚刚教授就目前生物基新型功能材料研究领域代表性问题与挑战进行了系统的总结。

近日，相关论文以《来自生物质前驱体的纳米多孔炭材料：能源转换和储存的可持续材料》“Nanoporous Carbon Materials Derived from Biomass precursors: Sustainable Materials for Energy Conversion and Storage”为题，发表在 Electrochemical Energy Reviews[1]。

电子科技大学博士生陈治锴和蒋小丽为论文第一作者，张亚刚教授、中国科学院大连化学物理研究所研究员刘健和西安理工大学李喜飞教授为共同通讯作者。

图｜相关论文 (来源：Electrochemical Energy Reviews)

此综述对生物质基炭材料领域的问题与困难进行了详细的讨论，比如：生物基炭材料的结构与其他炭材料有何不同？为何不同生物基原料制备的炭材料性能差异显著？它们在吸附、催化、能源领域的应用如何？成本（如运输、能耗、得率）如何？

再比如：为何大多数生物基炭材料力学性能差？有无通用方法提升其力学性能？如何更好地利用生物基炭材料？从碳达峰、碳中和角度看，生物基炭材料是增碳还是减碳？

（来源：Electrochemical Energy Reviews）

“由于是对生物质基炭材料领域中被回避的难题与敏感问题进行剖析，容易让人觉得我们不是在为领域造势，而是在挑刺。

因此审稿人和编辑非常谨慎，认真细致，审稿时间长，但鉴于我们论文的创新性和独到的视角，最终获得了编辑的认可。”张亚刚说。

不过他也表示，审稿人提出了非常多宝贵的意见。在学术界，指出领域一直存在但大家都回避的问题的论文往往比较难发表，但是张亚刚觉得自己很幸运，他们的文章得到了 Electrochemical Energy Reviews 主编孙学良院士和张久俊院士的认可和大力支持。

图｜生物质基炭材料的物理与化学性质（来源：Electrochemical Energy Reviews）

谈及生物基炭材料未来的潜在应用，张亚刚表示，目前生物基炭材料主要用于吸附分离领域如过滤净化材料，少量应用于能源和催化领域。

他带领团队开发了一种无机骨架增强策略，尝试提升生物基炭材料的力学性能，虽然取得了一些进展，但性能尚不理想。而他们在生物基新型功能材料领域研发的两类新材料，具有良好的应用前景。

此外，该课题组曾经因发明专利“抗氧化剂八 [β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸] 三季戊四醇酯的合成方法”，在第 47 届瑞士日内瓦国际发明展专利荣获金奖。

该新型抗氧化剂的设计方法，正是他所专注的功能导向与分子识别相结合的新材料设计理念的案例。

张亚刚的主要研究领域是基于功能导向的分子识别与组装的新材料设计。

据介绍，该成果之所以获得日内瓦国际发明展专利金奖的认可（专利号: ZL 201510909615），是通过集成更多抗氧化官能团并调节分子极性，得到挥发性更低、热稳定性更好、抗氧化性能更突出的抗氧化剂。

张亚刚说：“在这个领域，我团队取得了两项让我非常自豪的成果：其一是利用工农业废弃物，发明了沙漠土壤改良材料体系（专利号: ZL 201810121115）；其二是发明了一种生物基新型功能材料，能够大幅减少香烟烟气中的致癌物，对保护吸烟者健康发挥重要作用。”

谈及如何拟定课题到研究成功，张亚刚表示：“我做科研的原则是，研究的问题必须是真问题，因此研究皆来源于真实需求。”

据了解，他的两项代表性成果最初是偶然选题。

2016 年，重庆交通大学副校长易志坚教授提出的“沙变土”技术在网上走红，尽管一些学者提出质疑，但他认为前沙漠土壤改良是真需求，值得研究。

于是，张亚刚和团队发明了利用工农业废弃物改良沙漠土壤的材料体系和方法。

2017 年，张亚刚在深圳的学术会议上看到一家企业推广用石墨烯调节香烟烟丝水分、减少烟气中致癌物的产品。

虽然对其工作机理持怀疑态度，但这激发了他们研发能减少香烟烟气中有害致癌物的新材料的想法。

通过近两年的努力，张亚刚课题组采用分子识别与组装的方法，基本实现了该目标。

“科研就像申请基金，方案要从科学原理上讲得通，不仅需要具备可行性，还要通过实验不断验证和优化，最终接近目标。”张亚刚说。

张亚刚回忆科研中一些难忘的事情，感慨良多。

第一，“走过的路都算数”这句话以前他常听说，但回国后才逐渐领悟。

针对中国石化堵水调剖新型功能材料的需求，他带着学生到新疆阿克苏的油脂厂调研，看到大量的油脚和皂角，同时也开始研究解决新疆煤电、煤化工固体废弃物粉煤灰的问题，率先开展了粉煤灰制地质聚合物、耐盐性吸水树脂和水泥熟料的研究。

多年后，当研究人员开始研发沙漠土壤改良材料体系时，这些积累的研究经验让他豁然开朗。

通过整合粉煤灰、风化煤、油脚、皂角等工农业废弃物，他们成功解决了沙漠土壤改良中的化学组成、颗粒级配、有机质和微生物调控等难题。正是这些之前的积累，促成了今天的突破。

第二，“无心插柳柳成荫”是他在材料研究中的真实写照。张亚刚表示，之前从未想过能通过材料研究解决能源问题，尤其是碳中和这样的全球挑战。

沙漠/荒漠土壤改良的意义重大，不仅因为它可以提供新能源站建设的场地，更因为它通过绿植固碳，助力全球碳中和目标的实现。

中国在 2012-2022 年间新增了约 19 万平方公里的森林，产生了每年 8.4 亿吨的碳汇。这仅占全球荒漠化土地面积的 0.53%，却展现了土壤改良的巨大潜力。

未来的碳中和不仅依赖于能源供应端的技术进步，还需从人为固碳端发力。沙漠土壤改良无疑是这一领域的突破口。此外，做科研也常伴随机缘巧合。

2017 年深圳展会让他萌生了开发吸附香烟中致癌物材料的想法，尽管起初无人支持，但他们在 2020 年后不断取得进展，正逐步接近目标。

张亚刚认为，做科研要敢于突破传统思维，挑战权威。对于研究的后续计划，他表示，其研发的利用工农业废弃物改良沙漠土壤的方法，已获中国发明专利授权（ZL 201810121115.4）。

他希望这项技术未来能在全球免费推广，让更广袤的沙漠和荒漠地区覆盖更多绿地，助力碳中和。

针对香烟烟气中有害物质的特异性吸附功能材料已申请专利，相关论文也在撰写，并孵化了相关初创公司。

张亚刚表示，科研虽然辛苦，但是一份神圣的职业。科研工作者不仅要发现和解释科学原理，还要发明有益的材料和技术，造福社会。

只要真心热爱科研，必将迎来开花结果的时刻。同时，科研人员要将复杂问题简单化，用通俗易懂的语言传达给大众，他认为这也是科研人义不容辞的责任。

参考资料：

1. Zhikai Chen, Xiaoli Jiang, Yash Boyjoo, Lan Zhang, Wei Li, Lin Zhao, Yanxia Liu, Yagang Zhang*, Jian Liu*, Xifei Li*. Nanoporous Carbon Materials Derived from Biomass precursors: Sustainable Materials for Energy Conversion and Storage. Electrochemical Energy Reviews, 2024, 7, 26,1-38. https://doi.org/10.1007/s41918-024-00223-y

2.Yanxia Liu, Lulu Wang, Lin Zhao, Yagang Zhang*, Zhan-Ting Li *, Feihe Huang *. Multiple hydrogen bonding driven supramolecular architectures and their biomedical applications. Chemical Society Reviews, 2024, 53, 1592-1623. https://doi.org/10.1039/d3cs00705g

3.Yanxia Liu, Lulu Wang, Haitao Li, Lin Zhao, Yanfu Ma, Yagang Zhang*, Jian Liu*, Yen Wei*. Rigorous recognition mode analysis of molecularly imprinted polymers—rational design, challenges, and opportunities. Progress in Polymer Science 2024, 150, 101790 https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2024.101790

4.Chen Zhikai, Jiang Xiaoli, Zhang Yagang*, Li Wei, Tang Zhiqiang, Liu Yanxia, Zhao Lin. Inorganic skeleton a generic ap-proach to improve the mechanic properties of biochar. Nanomaterials, 2023, 13, 1298. https://doi.org/10.3390/nano13081298

5.Yanxia Liu, Lulu Wang, Lin Zhao, Yagang Zhang*. Structure, properties of gossypol and its derivatives-from physiological activities to drug discovery and drug design. Natural Product Reports, 2022, 39, 1282-1304. https://doi.org/10.1039/d1np00080b

6.Tang Z, Huang W, Zhang Y,* Liu Y, Zhao L. Direct observation of the Mpemba effect with water: Probe the mysterious heat transfer. InfoMat. 2023;5:e12352. https://doi.org/10.1002/inf2.12352

7．发明专利名称: 一种利用废弃物为土壤改良剂治理沙漠化土壤的方法，发明人: 张亚刚，姜莹芳，王璐璐，张乐涛，艾克热木·牙生. 授权公告日 : 2020.10.09, 授权专利号：ZL 201810121115

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