作者 | 陳麗華（武漢理工大學研究員）
翻譯 | 張冰姿（NSR科學編輯）
自然界中等級特性隨處可見，如葉脈的傳輸系統、人類的呼吸系統、血液循環系統等。通過模仿自然系統，在不同維度上構建等級孔道結構，可以使其滿足不同功能的需要。
在過去的十年裡，人們對等級孔材料的合成和應用進行了大量研究，促進了這一研究領域的快速發展，引起了學術界和工業界極大的興趣。
中國在這一領域的研究處於國際前沿，而華東師範大學的何鳴元教授正是這項研究的學術帶頭人之一。
何鳴元 院士
何鳴元教授1995年當選中國科學院院士，2001年獲得何梁何利基金科學與技術進步獎，2012年獲得「中國催化成就獎」，2019年獲得「中國分子篩終身成就獎」。他的主要研究方向是新型催化材料和煉油催化劑及工藝。他是中國綠色化學領域的開拓者，積極推動著綠色化學化工的發展。
最近，《國家科學評論》（National Science Review，NSR）就等級孔材料的最新進展和未來發展前景等問題採訪了何鳴元院士。本次專訪恰逢何院士80歲生日，謹以此文獻上祝福，並致敬他在催化科學與技術領域諸多方面做出的突出貢獻。
【等級孔材料是什麼？】
NSR：在我們周圍的環境中，等級結構無處不在，例如生物系統中從簡單的單細胞生物到更加複雜的人體。您能談談等級孔的定義嗎？什麼是等級孔材料？
何鳴元：
從廣義上講，多重孔道材料是指包含兩種或兩種以上孔徑分布的孔結構材料，不論這兩個（或多個）不同的孔道是否（或如何）相互連通。
只有當整個孔道系統呈現出排列良好的多孔結構並增強了物質傳遞時，包含兩種或兩種以上孔道結構的系統才能被定義為等級孔系統。因此，需要注意明確區分「等級孔材料」和含義更寬泛的「多重孔道材料」。
2017年3月，我和蘇寶連、謝在庫兩位教授在北京共同主持了第590次香山科學會議。在這次會議上，等級孔材料被定義為一類具有特殊多孔結構的材料，其多孔結構是由不同尺度上相互連通的孔組成，包括微孔（50 nm）。
在等級孔材料中，微孔為客體分子提供了擇形效應（只有大小和形狀與孔道相匹配的客體分子才能進出微孔），介孔增加了微孔的可及性，大孔為客體分子提供了暢通無阻的傳輸路徑。這種孔道結構的等級性對於大分子的擴散或在粘稠系統中的擴散特別重要。
簡而言之，等級孔材料的孔道結構應該包含層次性、貫通性和規律性的特徵。
NSR：從生物技術、生物醫藥、催化、能源、光學、分離到生物分子固定化和生物有機體等多個研究領域都對等級孔材料產生了濃厚的興趣。您認為目前等級孔材料研究中最重要的問題有哪些？
何鳴元：
我認為首要的問題是通過開發新的合成策略，來滿足今後等級結構的精準合成和不同層次孔道貫通性精細調控的需求。
一般來說，等級孔材料都具有大的表面積，能夠為反應物（或產物）吸附（或脫附）其框架內的活性位點提供高效的物質傳遞。然而，很多等級孔材料中包含無序的孔道網絡。與具有單一微孔結構的材料相比，這種無序性會影響催化活性位點的性質，如酸強度/密度和表面疏水性等。
另一個重要問題是如何開發新的合成策略來實現等級孔材料的大規模生產。
目前，合成的等級孔材料大多是粉末狀的，這意味著它們不能直接應用於實際工業。現階段，合成方法的局限性阻礙了等級孔材料的大規模生產，這嚴重製約了它的進一步應用和發展。
【綠色碳科學的前世今生】
NSR：作為綠色碳科學研究的先行者，您能概述一下綠色碳科學的內涵嗎？
何鳴元：
綠色碳科學這個概念最早是由孫予罕教授、韓布興教授和我本人共同提出的，在2010年第15屆全國催化學術會議上以大會報告的形式展現，並在一篇學術論文中進行了總結（Angew Chem Int Ed2013; 52: 9620-9630）。
碳是生命、社會和工業的關鍵元素。碳能源對人類社會可預見的未來極為重要，對我國的能源戰略也尤為重要。
我們應當意識到，適當存在的二氧化碳和溫室效應對地球上的生命是必要的。因此，平衡和再循環是關於二氧化碳和溫室效應的關鍵因素。碳、氫、氧是構成碳能源的三大化學元素。碳能利用和碳平衡的實現是基於氧化還原的化學原理。
因此，作為一種自然規律，等級性是碳能源的一個特徵。在氫、碳、氧的三元化學組成中，如果以碳能量為衡量標準，可以將不同的碳資源從碳氫化合物到碳氧化合物排列為：天然氣、石油、煤炭、生物質和二氧化碳。
綠色可持續化學已被證明在解決世界能源的三元制約難題（可持續發展—能源—環境）中發揮著創造性的作用。如果我們用「碳能源」取代「能源」，用「二氧化碳」取代「環境」， 那麼就產生了一個全新的概念——「綠色碳科學」，它將更精準地關注「可持續發展—碳能源—二氧化碳」這個三元制約難題。
可持續發展是人類社會面臨的一個巨大挑戰。提高碳資源利用和碳循環的效率，能幫助我們應對這一挑戰。高效轉化和利用化石能源、生物質和二氧化碳，同時儘量減少能耗和二氧化碳排放，都是至關重要的。
因此，綠色碳科學旨在通過研究和優化含碳化合物的轉化以及與其相關的整個碳循環過程，包括碳資源加工、碳能利用、二氧化碳固定和碳循環，及其間碳化學鍵的演變等，來實現碳資源的高效利用和二氧化碳淨排放的最小化。
此外，要實現社會的可持續發展，化學上可行和有效的措施是高效利用有限的化石能源，並開發大規模將生物質轉化為燃料和高附加值化學品的生產工藝。
NSR：在綠色碳科學領域，您最喜歡的研究課題是什麼？
何鳴元：
人們普遍認為，太陽能是人類的終極能源。我對綠色碳科學在太陽能利用中能發揮多大作用非常感興趣。綠色碳科學中的一個重要課題是生物質轉化。
碳資源的高效利用、碳減排和碳循環已經成為戰略研究的重點和社會面臨的重大挑戰。化石能源的加工利用和生物質轉化已經得到廣泛研究。
目前，我們使用的燃料和能量大多來自不可再生的化石資源。人類的一個重要目標是實現可持續發展，生物質則是一種儲量豐富的可再生碳資源，開發生物質轉化將會是解決這一問題的有效途徑。
NSR：綠色碳科學領域目前面臨的主要挑戰有哪些？
何鳴元：
目前，很多生物質轉化的途徑雖然在技術上是可行的，但非常不經濟，需要進一步改進生產工藝，以實現高效、低能耗的大規模生產。
此外，生物質獨特的結構為設計和生產新的化學品提供了巨大的機會。我們應該致力於設計新的合成策略，在儘可能保持原料化學結構的基礎上，製備具有所需性質的產物。這樣,我們才能低能耗地生產所需要的產物。
目前，很多新的有價值的產物無法由化石資源來製備，預計將來有可能由生物質來製備。
【等級孔材料與綠色碳科學】
NSR：等級孔材料對推動綠色碳科學的發展是否有重要的意義？
何鳴元：
是的，等級孔材料在綠色碳科學的發展中發揮了非常重要的作用。剛才提到，當前人類使用的燃料和能量大多來自化石能源。而且，在可預見的未來，化石能源仍將是人類最主要的能量來源。
高效利用有限的石油資源尤其重要，因為我們目前還沒有可替代的資源和技術來提供人類所需的如此大量的液態輸送的燃料。
因此，設計等級孔催化材料來減少工業條件下焦炭和二氧化碳的生成非常關鍵。
另外，等級孔材料在很多生物質轉化過程中也發揮著重要的作用。生物質能夠提供大量可再生的碳。將生物質高效轉化為高質量的燃料和化學品是一項長期的任務。
通常，生物質轉化過程涉及到將龐大的生物大分子分解成小的基礎分子，再對這些小分子進行進一步加工，最終生成高附加值的產物。
利用等級孔材料能夠加速物質的擴散，並使它們更容易接近反應活性位點，從而幫助促進生物質的轉化。通過在不同尺度上對材料的孔隙率和結構進行等級構建，就可能製備出綠色碳科學所需的各種功能的材料。
NSR：雖然等級孔材料的製備取得了很大的進展，但可以說，設計和合成用於特定應用的等級孔結構並非易事。您對等級孔材料的設計理念有什麼建議或展望嗎？
何鳴元：
目前，我們仍在遵循試驗-測試-優化-再測試的過程，來獲得優化的但並非最好的目標材料。這是由於我們對先進材料設計的原理、規則和理論缺乏理解造成的。
「定向設計材料性能」的概念對該領域今後的發展很有吸引力。我們能不能建立一套材料設計的理論來實現可預測的和優化的功能？
我認為，我們也許可以從大自然提供的具體例子中獲取很多重要的啟示。這些啟示能幫助我們確定材料設計所要遵循和模仿的規則。
許多種類的生物都具有效率極高、能耗最低的等級孔網絡，例如植物的莖和葉脈、動物的血管和呼吸系統等。
這些有生命的等級孔網絡在有限的體積內連通，可以最大限度地降低物質到達所有孔的傳輸阻力，並確保整個等級網絡內的暢通傳輸，這也是生物體得以生存的前提。
近期，利用廣義默裡定律，蘇寶連教授團隊首次製備出了模仿天然血管結構的系列仿生材料。這類材料的孔徑在多個尺度上逐漸減小，最終終止於一個尺寸不變的單元，類似於植物莖、葉脈、血管和呼吸系統的等級結構。
這些仿生材料具有等級化的分支，在液-固、氣-固和電化學反應中大大促進了物質的交換和傳遞。這是首個定量材料設計的例子，通過精確控制直徑比來連接從大孔到微孔等不同尺度上的孔道結構。
這項工作開創性地展示了同時對不同尺度進行優化的材料製備過程。這個過程所遵循的設計原理借鑑了天然的等級系統，使得可預測地控制材料的性能成為可能。採用這種方法來構建其他具有相互貫通孔道結構的等級網絡也是非常可取的。
我很高興地看到，工業界也在這一領域投入了大量努力。例如，由謝在庫教授和楊為民教授領銜的中國石化上海石油化工研究院（Sinopec）從工業應用的角度對這一領域作出了相當大的貢獻。
等級材料的概念也已經應用到金屬有機框架和纖維領域。我希望National Science Review即將出版的《等級孔材料》專題能夠吸引更多對這一研究領域的關注，從而推動這一領域從實驗室到工業化的發展。
【給年輕研究者的建議】
NSR：您對剛剛進入等級孔材料研究領域的年輕研究者有什麼建議嗎？
何鳴元：
多年來，人們對等級孔材料進行了廣泛的研究，並取得了很多成果。年輕的研究者在進入這個領域之前，應該仔細考慮自己能做些什麼。
我建議他們可以根據自己的背景和興趣，選擇正在出現或尚未解決的挑戰作為研究的重點。他們可能需要將等級孔材料和其他一些概念如空間限域、擇形效應和分子識別等結合起來。
新的想法往往來自於已知的科學知識和未知的科學問題之間的接合處。新的發現和概念往往存在於與預期不符的實驗結果中。年輕的研究者應該永遠保持好奇心，研究他們真正感興趣的東西。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa131
編輯 | 宗華
排版 | 華園
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