美國科學院院士楊培東做客中國科大「大師論壇」
2020-12-01 中國科學院美國科學院院士楊培東做客中國科大「大師論壇」
2016-11-01 中國科學技術大學
語音播報
10月29日晚，中國科學技術大學校友、國際頂尖納米材料學家、美國人文與科學院教授及美國國家科學院院士楊培東做客中國科大「大師論壇」，並作精彩報告。報告會由中國科大黨委副書記蔣一主持。
報告中，楊培東提出了能源短缺與二氧化碳排放導致變暖的全球危機問題。為了解決這一問題，需要將現有能源中傳統化石燃料的比例大幅度降低，使用更多的可再生能源。楊培東介紹了在實驗室中如何通過人工光合作用將太陽能有效利用轉化為化學能，該方法的好處在於可以同時解決能源轉化及儲存這兩個問題，僅利用太陽能就可以實現自然界碳循環。
為了實現這一設想，半導體吸收太陽光與催化反應的結合便成為關鍵難點。在介紹了自然界中植物光合作用的工作過程後，楊培東就人工光合作用的科研發展歷程進行了詳細介紹。Arthur Nozik等人早在70年代就提出了基於光二極體的設計想法，但是由於材料的不完善性使得該設計近幾年才在楊培東的實驗室有了大的突破。理論上這一設計可以達到很高的效率，但傳統平整表面上的有限催化活性位點難以有效地利用半導體所產生的大量光生電子，實際效率受到了極大的限制。楊培東課題組使用高比表面的三維結構替代二維平面半導體結構，在陰極採用矽納米線陣列，並以氧化鈦納米線作為陽極，在表面上修飾催化劑後實現了單光源的人工光合器件。
之後，楊培東又指出真正的挑戰是二氧化碳還原的催化劑設計，尤其是考慮到在光催化反應體系中二氧化碳還原和光解水的強烈競爭關係。在楊培東課題組已實現二氧化碳還原較高的選擇性前提下，如何實現多電子轉移過程便成為了另一難題。基於該挑戰，楊培東又提出了另一創造性的概念，利用一些厭氧菌所具有的高效二氧化碳還原效率以及多電子產物高選擇性的特性，在人工催化劑中引入細菌進行催化。令人激動的是，細菌可以在半導體上存活並且在界面上建立有效的電子轉移，第一次真正實現了人工光合作用。雖然當時的效率僅為0.4%，但已接近自然界光合作用。在第二代設計中，楊培東課題組將反應分成兩步，利用分解水產氫來還原二氧化碳為甲烷，效率大大提高至10%。而第三代的設計便如科幻一般，在細菌培養過程中通過表面改性並生長硫化鎘量子點，賦予其吸光能力，從而極大提高了催化劑性能。這三代設計實現了半導體與生物體的有效結合，提供了利用二氧化碳及太陽能高效合成化學衍生品的可能性。
報告結束後，楊培東還與參會同學進行了互動交流，同學們就CO2還原的實驗體會、人工光合作用的前景、如何平衡好工作與生活等問題與楊培東進行交流。
楊培東，1993年獲中國科學技術大學化學學士學位，曾獲「郭沫若獎學金」，1997年獲哈佛大學化學博士學位，現任加州大學伯克利分校教授。他在半導體納米線的合成及其在光子和能源應用方面做出了開創性的研究成果。他的傑出工作獲得了眾多獎項，包括：麥克阿瑟天才獎、E. O.勞倫斯獎、美國化學學會（ACS）納米科學獎、美國材料學會（MRS）獎章、Baekeland獎章、阿爾弗雷德·斯隆獎、貝克曼青年研究員獎、美國國家科學基金會青年科學家獎、MRS青年科學家獎、朱利葉斯·施普林格應用物理學獎、ACS純粹化學獎及艾倫·沃特曼獎等。2011年，楊培東入選湯森路透社「全球最優秀的100名化學家」榜單中第10名，同時入選「十年中最優秀的100名材料科學家」榜單中第1名。
10月29日晚，中國科學技術大學校友、國際頂尖納米材料學家、美國人文與科學院教授及美國國家科學院院士楊培東做客中國科大「大師論壇」，並作精彩報告。報告會由中國科大黨委副書記蔣一主持。 報告中，楊培東提出了能源短缺與二氧化碳排放導致變暖的全球危機問題。為了解決這一問題，需要將現有能源中傳統化石燃料的比例大幅度降低，使用更多的可再生能源。楊培東介紹了在實驗室中如何通過人工光合作用將太陽能有效利用轉化為化學能，該方法的好處在於可以同時解決能源轉化及儲存這兩個問題，僅利用太陽能就可以實現自然界碳循環。 為了實現這一設想，半導體吸收太陽光與催化反應的結合便成為關鍵難點。在介紹了自然界中植物光合作用的工作過程後，楊培東就人工光合作用的科研發展歷程進行了詳細介紹。Arthur Nozik等人早在70年代就提出了基於光二極體的設計想法，但是由於材料的不完善性使得該設計近幾年才在楊培東的實驗室有了大的突破。理論上這一設計可以達到很高的效率，但傳統平整表面上的有限催化活性位點難以有效地利用半導體所產生的大量光生電子，實際效率受到了極大的限制。楊培東課題組使用高比表面的三維結構替代二維平面半導體結構，在陰極採用矽納米線陣列，並以氧化鈦納米線作為陽極，在表面上修飾催化劑後實現了單光源的人工光合器件。 之後，楊培東又指出真正的挑戰是二氧化碳還原的催化劑設計，尤其是考慮到在光催化反應體系中二氧化碳還原和光解水的強烈競爭關係。在楊培東課題組已實現二氧化碳還原較高的選擇性前提下，如何實現多電子轉移過程便成為了另一難題。基於該挑戰，楊培東又提出了另一創造性的概念，利用一些厭氧菌所具有的高效二氧化碳還原效率以及多電子產物高選擇性的特性，在人工催化劑中引入細菌進行催化。令人激動的是，細菌可以在半導體上存活並且在界面上建立有效的電子轉移，第一次真正實現了人工光合作用。雖然當時的效率僅為0.4%，但已接近自然界光合作用。在第二代設計中，楊培東課題組將反應分成兩步，利用分解水產氫來還原二氧化碳為甲烷，效率大大提高至10%。而第三代的設計便如科幻一般，在細菌培養過程中通過表面改性並生長硫化鎘量子點，賦予其吸光能力，從而極大提高了催化劑性能。這三代設計實現了半導體與生物體的有效結合，提供了利用二氧化碳及太陽能高效合成化學衍生品的可能性。 報告結束後，楊培東還與參會同學進行了互動交流，同學們就CO2還原的實驗體會、人工光合作用的前景、如何平衡好工作與生活等問題與楊培東進行交流。 楊培東，1993年獲中國科學技術大學化學學士學位，曾獲「郭沫若獎學金」，1997年獲哈佛大學化學博士學位，現任加州大學伯克利分校教授。他在半導體納米線的合成及其在光子和能源應用方面做出了開創性的研究成果。他的傑出工作獲得了眾多獎項，包括：麥克阿瑟天才獎、E. O.勞倫斯獎、美國化學學會（ACS）納米科學獎、美國材料學會（MRS）獎章、Baekeland獎章、阿爾弗雷德·斯隆獎、貝克曼青年研究員獎、美國國家科學基金會青年科學家獎、MRS青年科學家獎、朱利葉斯·施普林格應用物理學獎、ACS純粹化學獎及艾倫·沃特曼獎等。2011年，楊培東入選湯森路透社「全球最優秀的100名化學家」榜單中第10名，同時入選「十年中最優秀的100名材料科學家」榜單中第1名。
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