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學(xué)以致用，探索高效制氫奧秘

催化效率低、光能利用率低、制備出的氫氣純度低等問題是目前橫亙在光催化分解水制氫推廣落地路上的頑石，這些問題都指向同一個問題——光生載流子的復(fù)合重組。

光生載流子指的是光生電子和光生空穴。“只有電子才能將質(zhì)子還原成氫氣，而光照會產(chǎn)生光生電子和光生空穴，如果不進(jìn)行助催化將兩者分離，就會瞬間吸引正負(fù)電荷并與其復(fù)合，不能再把質(zhì)子還原產(chǎn)生氫氣。”丁勇教授解釋說。

光生載流子的復(fù)合重組會導(dǎo)致光催化活性較低，光生空穴在催化材料硫化鎘（CadmiumSulfide，以下簡稱CdS）上的積累也會導(dǎo)致CdS被光腐蝕，降低光穩(wěn)定性。“因此，光生載流子分離在光催化分解水制氫的過程中至關(guān)重要。”丁勇教授團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)光生載流子的分離。

在電子顯微鏡之下觀察臧金諾等人的研究成果，可以看到一塊薄片上附著著一條條棒狀物質(zhì)和小點(diǎn)，這就是他們構(gòu)建的三元復(fù)合Co8POM@MXene-CdS催化劑。其中，薄片是新型二維材料MXene，棒狀物質(zhì)是CdS，而在CdS上負(fù)載的就是氧化助催化劑準(zhǔn)立方烷多酸（Co8POM），可以通過EDSmapping觀察到多酸中元素的分布。

“簡單來說，我們所做的就是通過構(gòu)建三元復(fù)合催化劑，抑制光生電子和光生空穴的復(fù)合，從而提高光催化分解水制氫的效率。”臧金諾介紹說。

在這個三元復(fù)合催化系統(tǒng)中，MX－ene和立方烷多酸的負(fù)載提高了CdS光生載流子分離和遷移效率，光生電子得以從CdS轉(zhuǎn)移到MXene，進(jìn)行產(chǎn)氫反應(yīng)。立方烷多酸接受CdS的光生空穴進(jìn)一步氧化犧牲試劑三乙醇胺，提高了CdS的光催化產(chǎn)氫活性和穩(wěn)定性。

這一新的催化系統(tǒng)使CdS的光催化產(chǎn)氫活性提升了25倍以上，為光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定催化劑提供了新的思路。“我們的這項(xiàng)研究提高了太陽能光催化水分解制備氫氣的效率，對于應(yīng)對三大化石燃料枯竭有著一定意義，同時(shí)也響應(yīng)了國家‘雙碳’戰(zhàn)略。”臧金諾說。

這一催化系統(tǒng)建立的過程并非一帆風(fēng)順。

“剛開始，由于對催化機(jī)理了解不夠清晰，我們先嘗試這個體系是否有活性，再去探究它的機(jī)理。”經(jīng)過具體實(shí)驗(yàn)操作，他們發(fā)現(xiàn)測催化活性的時(shí)候存在一個誘導(dǎo)期。“誘導(dǎo)期就是在催化反應(yīng)剛開始一段時(shí)間沒有產(chǎn)物出現(xiàn)，也就是沒有活性。”

經(jīng)過和導(dǎo)師丁勇教授進(jìn)行溝通，團(tuán)隊(duì)最終選擇改用光沉積的方式，成功消除了誘導(dǎo)期。

導(dǎo)師引路，科教協(xié)同育人

“我本身對物理化學(xué)的催化方向比較感興趣。”進(jìn)入萃英學(xué)院后，臧金諾通過學(xué)院組織的科研導(dǎo)師見面會認(rèn)識了從事催化方向研究的丁勇教授，正式開啟了他的科研之路。

導(dǎo)師制是萃英學(xué)院“三制”培養(yǎng)模式中的重要一環(huán)。導(dǎo)師包括學(xué)業(yè)導(dǎo)師、科研導(dǎo)師、生活導(dǎo)師和朋輩導(dǎo)師，這些導(dǎo)師從思想、學(xué)術(shù)、專業(yè)學(xué)習(xí)和生活方面對學(xué)生予以全方位指導(dǎo)。其中，科研導(dǎo)師主要職責(zé)是學(xué)術(shù)引領(lǐng)和科研能力培養(yǎng)。

臧金諾和宋斌就是通過導(dǎo)師制的雙向選擇，加入丁勇教授的實(shí)驗(yàn)室開展科研訓(xùn)練，開啟了科學(xué)研究的工作。蘭州大學(xué)很多像丁勇教授一樣的老師，他們愿意讓本科生加入課題組中，傾心指導(dǎo)學(xué)生。

“化學(xué)是什么？化學(xué)是Chemistry，就是要不停地try。”作為化學(xué)專業(yè)的老師，丁勇十分重視學(xué)生的動手操作能力。

“這兩個學(xué)生可以說是我?guī)У乃斜究粕校钋趭^的兩個人了。”談及兩人的成長，丁勇認(rèn)為與學(xué)生們的努力密不可分。“只要合理安排，不怕辛苦，總有時(shí)間能夠多走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開展科研訓(xùn)練。”丁勇坦言自己本身就是一個“工作狂”，平時(shí)沒事總往實(shí)驗(yàn)室里跑，但在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常能碰到臧金諾和宋斌。

“過去蘭大化學(xué)化工學(xué)院的老一輩科學(xué)家們，在冬天會去黃河里取冰塊拿回來作為冷卻循環(huán)水做實(shí)驗(yàn)。在那種困難環(huán)境中都能做出那么多成果，現(xiàn)在同學(xué)們學(xué)習(xí)和生活的條件都這么好，更應(yīng)該加倍努力”。丁勇希望同學(xué)們少講客觀困難，多做主觀努力，爭取更多的學(xué)習(xí)和科研機(jī)會。

“我其實(shí)不覺得自己是一個特別勤奮的人。”臧金諾說，“在績點(diǎn)、綜測方面我都比較佛系，我只是把精力都用在了做自己喜歡的事情上。”在臧金諾眼中，科學(xué)研究是一件特別有趣的事：“我每一次做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候都很期待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，想知道究竟能不能成功，所以我每天都很有活力。”

今年暑假，臧金諾幾乎是在實(shí)驗(yàn)室里度過的。“當(dāng)時(shí)得知論文處于修改狀態(tài)了，我立馬就買票回了蘭州。”兩個月的暑假，臧金諾只回家了兩個星期，其余的時(shí)間他都在學(xué)校里一遍遍修改論文、做補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)、更正數(shù)據(jù)。

平臺托舉，倡導(dǎo)學(xué)生個性化發(fā)展

在萃英學(xué)院培養(yǎng)理念與目標(biāo)板塊，有這樣一行字——“培養(yǎng)具有西部情結(jié)、家國情懷、世界胸懷，能夠勇攀世界科學(xué)高峰、引領(lǐng)人類文明進(jìn)步的自然科學(xué)家和社會科學(xué)家和醫(yī)學(xué)科學(xué)家。”

萃英學(xué)院作為蘭州大學(xué)落實(shí)國家“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃”的學(xué)院，是拔尖學(xué)生自主學(xué)習(xí)、個性發(fā)展和創(chuàng)新培養(yǎng)的重要基地。學(xué)院通過建立遴選機(jī)制、構(gòu)建培養(yǎng)模式、實(shí)施大師引領(lǐng)，做實(shí)導(dǎo)師制，探索書院制和學(xué)分制，強(qiáng)化國際化、推進(jìn)小班化和個性化等措施，搭建了與專業(yè)學(xué)院高度協(xié)同的基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)體系，成為“浸潤”“熏陶”“養(yǎng)成”“感染”“培育”一體化的育人品牌與平臺。

雖然在大一入學(xué)前就對萃英學(xué)院有所了解，“但當(dāng)時(shí)并不清楚萃英學(xué)院意味著什么，對科研的認(rèn)識也不清晰，只是覺得能進(jìn)入萃英學(xué)院的人都很優(yōu)秀。”出于對優(yōu)秀的向往，臧金諾早早就開始準(zhǔn)備加入萃英學(xué)院的選拔。“大學(xué)學(xué)習(xí)了一個階段以后，我才發(fā)現(xiàn)科研是非常有趣的，也是實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值的一個方式。”這也更加堅(jiān)定了他加入萃英學(xué)院的決心。

萃英學(xué)院專門設(shè)立“萃英創(chuàng)新基金”，為學(xué)生參與科學(xué)研究、學(xué)科競賽、學(xué)術(shù)交流提供支持。要求和支持每名學(xué)生在校期間必須至少主持一項(xiàng)科研項(xiàng)目，促進(jìn)科教深度融合。

“學(xué)院鼓勵我們積極參與科研，并為我們開展科學(xué)研究提供了很多便利”，臧金諾說。除了導(dǎo)師指導(dǎo)、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)和交流實(shí)踐等，還包括解決在城關(guān)校區(qū)的臨時(shí)住宿等具體問題。

萃英學(xué)院致力于為學(xué)生提供個性化的發(fā)展空間、良好的學(xué)習(xí)氛圍和資源支持。在這里，選課不受專業(yè)和年級的限制，學(xué)生只要完成核心課程的學(xué)習(xí)，就可以自由修讀想學(xué)的課程。

“萃英學(xué)院給了我們一個自由發(fā)展的平臺，在這個平臺上，學(xué)院給我們提供了各種資源將我們托舉起來，給了我們很多科研方面的助益。”宋斌把萃英學(xué)院比作一座內(nèi)藏乾坤的大山，山里面是一個廣闊的自由天地。“我可以在‘山’里盡情遨游，不用被績點(diǎn)、綜測、保研、獎學(xué)金等束縛。專注于科研，最終做出的科研成果也會對你的成長有所助益。”

“學(xué)院個性化、開放化的培養(yǎng)理念能夠讓每一位同學(xué)都有機(jī)會發(fā)揮自己的長處，挖掘出自身的最大可能。”臧金諾和宋斌認(rèn)為。“努力是必須的，但也要能在科研中找到樂趣，這樣才能堅(jiān)持下去。”在個性化培養(yǎng)方案下，興趣成為萃英學(xué)子學(xué)習(xí)與科研的驅(qū)動力，學(xué)生們的自主性也被調(diào)動了起來。

宋斌對此有著直觀的感受：“我有一個化學(xué)班的學(xué)長對計(jì)算化學(xué)和AI深度學(xué)習(xí)很感興趣，在萃英學(xué)院，他可以跨班級、跨學(xué)科去學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容、參與相關(guān)研究。”

在宋斌看來，萃英學(xué)院給他帶來最大的收獲是對于他人生觀、世界觀和價(jià)值觀的塑造。“你會發(fā)現(xiàn)你的眼界開闊了，不止把眼光放在眼前的學(xué)業(yè)，你的眼光可以看向全國甚至整個世界。你會想要繼續(xù)到最好的平臺深造，做自己認(rèn)為最有意義的科學(xué)研究，未來做一些對人類有貢獻(xiàn)的事情。”

在學(xué)習(xí)和科研之余，宋斌喜歡寫詩歌和散文，“寫作是和自己對話，在寫作中，我可以想清楚很多事。”目前，宋斌已經(jīng)作為直博生推免至北京大學(xué)，等待著他的，是更遼闊的遠(yuǎn)方和夢想。

談及對未來的規(guī)劃，臧金諾表示要進(jìn)一步深造，繼續(xù)從事催化方向的研究，“萃英學(xué)院的大多數(shù)學(xué)生都有著明確的學(xué)業(yè)規(guī)劃，我們都對科研懷有熱愛。”臧金諾說。