女院士于吉紅:新型多孔材料應用將解決能源與環境問題

對于于吉紅教授學生們都用"女神"、"優雅"、「謙和"、"知性"來形容。對於女生來說，化學也許是一門非常枯燥的學科，但于吉紅教授認為，世界需要科學，而科學需要女性。于吉紅熱愛這份科研工作，而且是她一生無悔的選擇。— —網易科學人注

序言：未來的世界，是科技在改變生活；未來的中國，科技在重塑增長。2017年伊始，網易科技聯合「未來論壇」推出「十大頂尖科學家預言未來」系列策劃，獨家專訪了人工智慧、生命科學、物理學、天文學、化學等近十大領域最頂尖的華人科學家，傾聽他們對未來的預言。在這些預言的背後，他們憑藉著自己的深厚學識，發出對人類未來的期盼之聲。

「十大頂級科學家預言未來」的第七篇：專訪無機化學專家、吉林大學教授、中國科學院院士于吉紅女士。

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她是誰？

她是「萬人計劃」首批科技創新領軍人才，是英國皇家化學會會士，第三世界科學院院士；她是吉林大學化學學院教授、博士生導師，吉林大學未來科學研究中心主任、；她是中國最年輕的科學院院士之一；她的團隊在納米孔材料的設計構築與開發方面有著重大貢獻，開闢了功能導向多孔材料定向合成的新路徑，使人們對多孔晶體的生成機理有了新的認識，她就是無機化學領域專家于吉紅。

她的預言：

1、新型多孔材料的研發與應用顯示出巨大的節能降耗與碳減排潛力；

2、藉助計算機模擬與數據挖掘技術，結合高通量組合化學實驗方法，有望在未來的5-10年間實現特定催化與吸附分離多孔功能材料的高效創製；

3、計算機技術與高通量組合實驗方法將成為材料基礎研究新的助力；

4、科學家必須縮短新材料的研發周期,以面對未來科學的巨大挑戰。

5、搭建「高通量實驗—高通量計算—資料庫」集成的研發平臺，建立「理論預測—實驗驗證」的系統研究模式，加速材料研發和產業化速度，引領材料科學創新發展，實現新材料「研發周期縮短一半、研發成本降低一半」的目標。

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作者：崔玉賢

策劃：楊霞清、王真

內容產品：郭浩、王真

經濟發展與環境汙染治理如何平衡？霧霾下的北京是否會成為第二個倫敦？不可再生資源越來越少，我們能給後代留下什麼？化石能源能更高效地利用嗎？破壞的環境還可以再修復嗎？對於這些影響我們當前的自然環境，說遠了影響我們子孫後代生存的問題，一直是于吉紅教授在著手研究的領域。

對于于吉紅教授學生們都用「女神」、「優雅」、「謙和」、「知性」來形容。其實，對於女生來說，化學也許是一門非常枯燥的學科，但于吉紅教授認為，世界需要科學，而科學需要女性。于吉紅熱愛這份科研工作，而且是她一生無悔的選擇。

目前，于吉紅教授正在開展多孔功能材料的材料基因工程研究。目前，新材料研發主要依據研究者的科學直覺和大量重複的「嘗試法」實驗,從實驗室發現新材料到最終實現其工業化應用一般需要10-20年的時間。但于吉紅教授所致力的材料基因工程研究，就像人類基因組計劃一樣，可以以更短的時間、更低的成本開發具有優異性能的新穎的功能材料。

從對人類生活和生產方面的影響來說，于吉紅教授的研究通過開發高效催化與吸附分離材料，用以提高資源利用率、開發新能源、有效治理溫室效應及大氣汙染等。

于吉紅教授認為，在未來的5-10年間他們的研究有望實現特定催化與吸附分離多孔功能材料的高效創製。這些新材料將主要用於石油煉製、石化工業和精細化工等領域的催化劑、汙水及放射性汙染物的處理、氣體分離與提純等領域。

一、關於未來趨勢

網易科技：可以分享一下您近期實驗室研究的內容嗎？

于吉紅：我們目前正開展多孔功能材料的材料基因工程研究。新材料的發現與人類社會的進步密不可分。然而，目前新材料的研發模式仍然以經驗指導實驗的「嘗試法」為主，消耗大量的人力與時間成本。近年來，計算機理論計算在材料研發領域的應用逐漸受到世界範圍的廣泛重視，由此催生了材料基因工程研究。與人類基因組計劃類似，材料基因工程利用最先進的計算機技術，理論上儘可能多地預測出大量未知的功能材料，結合海量實驗數據，建立功能材料組分、結構、形貌及性能的資料庫，並利用信息學、統計學方法，通過數據挖掘探尋材料結構和性能之間的關係模式，並以此為指導，以更短的時間、更低的成本開發具有優異性能的新穎的功能材料。材料基因工程研究的重點是尋找影響材料功能的結構基元，不同數量、種類的基元通過相互組合形成具有不同功能的材料，而這樣的組合可能成千上萬。一旦我們明確了每一種基元在材料中作用，我們就可以像搭積木一樣定製出具有特定功能的新材料。

我們的研究對象是以沸石分子篩為代表的多孔功能材料，這類材料具有大的比表面積、規整的孔道和可調控的活性中心，作為催化、吸附分離以及離子交換材料在石油化工、新能源與環境等與國家可持續發展戰略相關的重要領域具有廣泛的應用。為開發高效新穎多孔功能材料，我們基於材料基因工程思想，發展多元、跨尺度的理論模型和算法，開發高通量計算與實驗製備技術，創製具有特定催化與吸附分離功能的新穎多孔功能材料，建立理論預測—實驗驗證—應用示範這一全鏈條的多孔功能材料研發新模式。

網易科技：這些研究內容目前進行到什麼階段？有什麼挑戰或者困境嗎？

于吉紅：我們自2000年起就率先在國內開展了相關方面的研究，在分子篩多孔催化材料的計算機設計與定向合成方面取得了國際矚目的研究成果，例如：開發了基於「基因」思想高通量預測與篩選新型多孔催化劑的計算機方法；建立了多孔催化材料合成與結構的多個網絡資料庫，並利用計算機數據挖掘技術建立了多孔材料合成參數與結構屬性的關聯；創建了將計算化學與組合化學相結合指導定向合成的途徑，成功合成出系列新型高效多孔催化與分離材料。

目前我們面臨的挑戰主要有兩個方面：（1）多孔功能材料的結構非常複雜，其高通量理論計算、特別是其催化性能的理論計算，一直是國際公認的挑戰課題；（2）沸石分子篩的晶化機理尚不明確，對目標結構的定向合成一直缺乏有效的途徑。面對這些挑戰，我們將在接下來的工作中建立高通量計算軟體平臺解決多孔材料的高通量計算問題；同時引入機器學習方法，利用計算機數據挖掘技術研究多孔材料的形成規律，為其定向合成提供理論指導。

網易科技：您目前著手的研究對人們生活方式有什麼改變或影響嗎？

于吉紅：能源和環境是當今人類面臨的兩大重要問題。隨著全球能源消耗的持續增長、不可再生能源的日益枯竭以及環境汙染的日益嚴重(以大氣汙染為例，我國的二氧化碳排放量居世界第二位)，開發高效催化與吸附分離材料，用以提高資源利用率、開發新能源、有效治理溫室效應及大氣汙染等，已成為維持國民經濟可持續發展的重大需求。

多孔功能材料是目前工業上應用最廣、用量最大的催化與吸附分離材料，新型多孔材料的研發與應用顯示出巨大的節能降耗與碳減排潛力。例如，CHA類型沸石分子篩不僅可以用於CO2捕獲,還能夠高效催化甲醇制烯烴這一重要反應，而甲醇廣泛存在於生物質及煤炭中，開發CHA類型的沸石分子篩將極大促進化石能源的高效利用、可再生能源的開發及環境的修復，改變我國對化石能源的依賴，對推動我國科技研發的跨越式進步及國民經濟的可持續、綠色發展具有極其重要的戰略意義。

網易科技：您一致是致力於無機多孔功能材料的合成與製備化學的研究，這些對環保和綠色節能有很重要的意義，您的這些研究多久可以在現實中應用，主要應用的領域是哪些？

于吉紅：無論是美國政府於2011年發起的材料基因組計劃還是我國剛剛啟動的材料基因工程研究，都明確提出將傳統新材料的研發周期縮短一半。我們預計，在材料基因工程思想的指導下，藉助計算機模擬與數據挖掘技術，結合高通量組合化學實驗方法，我們有望在未來的5-10年間實現特定催化與吸附分離多孔功能材料的高效創製。這些新材料將主要用於石油煉製、石化工業和精細化工等領域的催化劑、汙水及放射性汙染物的處理、氣體分離與提純等領域。

二、關於科學和化學

網易科技：目前，您研究的領域，中國在國際上的地位如何？

于吉紅：我們研究團隊長期從事分子篩多孔材料的計算機設計與定向合成研究。在國際上首次建立了基於限定禁區和基於電子密度圖設計具有特定孔道結構分子篩的理論方法；開發了新型分子篩催化劑高通量預測與篩選的計算機方法；建立了多孔晶體材料合成與結構的多個網絡資料庫；首次揭示了羥基自由基對分子篩晶化的催化機制；提出了基於模板導向、雜原子取代以及數據挖掘為指導的定向合成途徑，特別是建立了將計算化學和組合化學相結合指導定向合成的途徑，成功製備出50餘種新型多孔材料，並開發出系列具有優異MTO催化性能的分子篩。我們的這些相關研究成果均處於國際前沿。

網易科技：提到女性科學家，大家都感到很不可思議，尤其是您研究的化學領域，女性科學家更是少之又少，是什麼勾起您對化學的研究，並且能夠持續堅持下去的？

于吉紅：我認為女性科研工作者和男性沒有什麼差別，也許兩者思維方式有些不同，但都需要有智慧的頭腦和辛勤的投入，需要有『知其難而為之』的決心，女性一樣可以成就非凡。科研對我來說，是一件很快樂的事，我們可以發現問題，並解決問題，這個過程會帶給人很大的滿足感。我1985年被保送進吉林大學化學系，之所以選擇化學是覺得化學更為實用，可以創造新奇的物質。對科學真正有所感悟是在上大學後，在老師們的影響下，在學習的過程中真正培養出對科學追求的思想。四年後，我以全年級第一名的優異成績被保送本校攻讀研究生，導師徐如人院士對科學執著、奉獻的精神和在科學方面做出的突出貢獻，深深影響著我、激勵著我。探索新事物是非常有趣的過程。這一次的實驗失敗了，從中獲得的經驗和啟發，會帶來下一次實驗的成功。我一直認為，無論遇到了什麼困難，只要保持對從事的研究領域的求知熱情，就會堅持走下去。

網易科技：在您所研究的領域，您認為未來5-10年，會發生怎樣革命性的變化？

于吉紅：在科技發展日新月異、多學科日益融合的今天，在材料基因組工程思想的指導下，計算機技術與高通量組合實驗方法將成為材料基礎研究新的助力。目前,新材料研發主要依據研究者的科學直覺和大量重複的「嘗試法」實驗,從實驗室發現新材料到最終實現其工業化應用一般需要10-20年的時間。這樣的研發模式已不適應當前激烈的國際競爭和快速的經濟發展,科學家必須縮短新材料的研發周期,以面對未來科學的巨大挑戰。

材料基因工程的研究方法旨在突破傳統材料科學研究中「經驗指導實驗」的研發模式，通過搭建「高通量實驗—高通量計算—資料庫」集成的研發平臺，建立「理論預測—實驗驗證」的系統研究模式，加速材料研究和產業化速度，引領材料科學創新發展，實現新材料「研發周期縮短一半、研發成本降低一半」的目標。

于吉紅教授的介紹：

于吉紅，女，無機化學領域專家，吉林大學教授。1967年1月生於遼寧省鞍山市，籍貫山東肥城。1989年畢業於吉林大學化學系，1992年和1995年在吉林大學分別獲碩士學位和博士學位；1996年至1998年，于吉紅先後在香港科技大學和日本東北大學從事博士後研究，1999年晉升為吉大化學系教授，2001年被聘為博士生導師，同年獲得國家傑出青年基金，2007年被聘為教育部長江學者特聘教授，2015年當選為中國科學院院士，2016年當選發展中國家科學院院士。曾任國家973項目首席科學家、國際分子篩協會理事會秘書長。現任英國皇家化學會《Chemical Science》雜誌副主編。

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本文來源：網易科學人 責任編輯：王真_NT5228