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文｜《中國(guó)科學(xué)報(bào)》實(shí)習(xí)生 宋書扉 記者 馮麗妃

一天，河南大學(xué)教授時(shí)新建在家辦公，家里的泰迪犬在他旁邊撒了一泡尿，氣味頗為濃烈。那一刻，他氣惱之余，突然靈光乍現(xiàn)：“能不能借助催化領(lǐng)域的技術(shù)，讓尿液得到更有效地利用呢？”

那時(shí)，時(shí)新建沒有想到，這泡“泰迪尿”會(huì)引出一個(gè)重要突破。1月21日凌晨，時(shí)新建作為一作兼通訊作者，以封面論文形式將這項(xiàng)尿液研究發(fā)表在《自然-催化》期刊，這也是河南省首次以第一單位在該期刊發(fā)表研究成果。相關(guān)研究還被Nature選為“亮點(diǎn)論文”進(jìn)行報(bào)道。

在這項(xiàng)研究中，時(shí)新建與合作者將人與動(dòng)物尿液中的尿素用電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為高純度過(guò)碳酰胺。這一處理技術(shù)將有助于變廢為寶，讓尿液這一城市發(fā)展的老大難問題變成“固態(tài)寶藏”。

“有趣”“有用”！期刊審稿人對(duì)該研究給予高度評(píng)價(jià)。

時(shí)新建等發(fā)表的《自然-催化》論文

一項(xiàng)“有味道”的研究

2021年，時(shí)新建從美國(guó)斯坦福大學(xué)博士后出站，成為河南大學(xué)的一名 特聘教授。時(shí)新建是山東人，先后在韓國(guó)成均館大學(xué)、斯坦福大學(xué)獲得碩士與博士學(xué)位，并在西班牙海梅一世大學(xué)開展過(guò)合作交流。他聚焦光電催化研究，已在多個(gè)專業(yè)類頂尖期刊發(fā)表論文30余篇。

名校畢業(yè)、海歸經(jīng)歷，加上手握多項(xiàng)成果，他為何選擇到一所“雙非”高校就職？

時(shí)新建直言：“很多人可能會(huì)過(guò)分關(guān)注學(xué)校的排名，但這其實(shí)是一個(gè)很膚淺的認(rèn)識(shí)。對(duì)科研工作者而言，最關(guān)心的是科研平臺(tái)能否提供良好的科研條件，能否幫助實(shí)現(xiàn)科研理想。河大在軟硬件方面都為我實(shí)現(xiàn)科研目標(biāo)提供了很好的平臺(tái)。”

時(shí)新建的科研理想是，能做一些有利于國(guó)計(jì)民生的事情。泰迪的那泡尿，讓他聯(lián)想到在城市化進(jìn)程中尿液和城市廢水處理中的棘手問題。

自古以來(lái)，中國(guó)人就有將尿液作為農(nóng)家肥利用的傳統(tǒng)，這也使其擁有“液態(tài)黃金”之稱。“但在人口密集的城市或大型養(yǎng)殖場(chǎng)，農(nóng)家肥的需求并不大。把尿液運(yùn)到待處理或真正需要的地方，光是鋪設(shè)管道或組織運(yùn)輸，就是一大筆成本。”時(shí)新建說(shuō)，“而且集中式的廢水處理廠不僅能耗巨大，還會(huì)殘留大量的含氮廢物。”

時(shí)新建（左二）與團(tuán)隊(duì)在討論實(shí)驗(yàn)。

那么，直接從尿液中提取尿素作為肥料呢？這聽起來(lái)似乎是個(gè)好主意，但實(shí)際上卻工藝復(fù)雜、成本高昂。在人們發(fā)現(xiàn)工業(yè)合成尿素成本更低后，從尿液中提取尿素的嘗試幾乎止步。

時(shí)新建想嘗試解決這個(gè)問題。在斯坦福期間，他開展的雙氧水研究曾遇到過(guò)挑戰(zhàn)。那是一種具有殺菌作用，可用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域的化學(xué)物質(zhì)。如果想要提高其濃度，就需要將其從液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)。但那時(shí)他一直不得其法。

“尿液中的尿素恰好可以與雙氧水結(jié)合，形成固態(tài)產(chǎn)物。這不就是個(gè)兩全其美的辦法嗎？”時(shí)新建想。

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，時(shí)新建帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了一場(chǎng)“頗有味道”的尿液征集活動(dòng)。“從實(shí)驗(yàn)室成員到家人朋友，從人到寵物，大家都被發(fā)動(dòng)起來(lái)了。雖然這個(gè)研究材料聽起來(lái)有點(diǎn)特別，但大家聽說(shuō)有助于環(huán)保，都很支持！”他笑言，“我們的實(shí)驗(yàn)前后收集了身邊數(shù)十人，還有多條泰迪犬和比熊犬的尿液。”

尿液收集回來(lái)后，會(huì)經(jīng)過(guò)一系列預(yù)處理：調(diào)節(jié)pH值、過(guò)濾獲取澄清液、冷凍干燥成一個(gè)個(gè)“尿餅”。在這些基礎(chǔ)工作完成后，他們才能通過(guò)合適的催化材料讓尿素和雙氧水發(fā)生反應(yīng)，生成高純度、高附加值的固體衍生物——過(guò)碳酰胺。

時(shí)新建介紹，過(guò)碳酰胺在醫(yī)藥、紡織、食品、日化等領(lǐng)域具有廣泛的用途。如在臨床醫(yī)學(xué)中具有抗炎、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、提高機(jī)體免疫力等多種作用，在制作消毒劑、漂白劑以及肥料等方面也大有用武之地。

這意味著，尿素與雙氧水兩個(gè)簡(jiǎn)單化學(xué)物質(zhì)的結(jié)合，會(huì)帶來(lái)“1+1＞2”的多重利好。

時(shí)新建（左二）與團(tuán)隊(duì)在做研究。

“沖鴨小分隊(duì)”

但是，選擇合適的催化劑，是他們面臨的最大挑戰(zhàn)。

“傳統(tǒng)的貴金屬材料雖然催化性能好，但價(jià)格太高；便宜的過(guò)渡金屬又面臨選擇性和毒化的問題。最終我們將目光聚焦到碳基材料。”時(shí)新建團(tuán)隊(duì)博士生、該實(shí)驗(yàn)主要參與者曾柏林介紹說(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)碳材料結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)和調(diào)控，在其表面構(gòu)建了獨(dú)特的活性位點(diǎn)。這些位點(diǎn)能有效吸引尿液中的鈉離子富集，進(jìn)而促進(jìn)尿素和雙氧水的清潔結(jié)合。有了這個(gè)突破，他們開發(fā)的原位電化學(xué)技術(shù)就能讓尿素分子在溫和條件下與雙氧水定向結(jié)合，形成易收集的晶態(tài)過(guò)碳酰胺。

然而，碳基材料背后的工作機(jī)制是什么？如何將其性能發(fā)揮到最優(yōu)？

時(shí)新建團(tuán)隊(duì)與同校的賈瑜教授、呂鵬博士合作，將實(shí)驗(yàn)研究與理論模擬相結(jié)合，以期通過(guò)“雙軌并進(jìn)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的方式回答這些問題。

“通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，我們可以驗(yàn)證每個(gè)反應(yīng)路徑是否可行。這不僅能指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，還能幫助我們理解反應(yīng)機(jī)理，從而更好地開展下一步實(shí)驗(yàn)。”從事理論研究的賈瑜對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。

“比如，從原子尺度來(lái)看，我們要確定究竟是什么樣的碳基材料原子結(jié)構(gòu)最有利，能展現(xiàn)出最好的活性。在理論計(jì)算時(shí)，我們可以從不同角度建模。”同樣從事理論研究的呂鵬解釋說(shuō)。

為了讓研究結(jié)果盡快“面世”，時(shí)新建為合作團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)名為“沖鴨小分隊(duì)”的微信群。群里平均每天都有更新，遇到問題立即展開討論。有時(shí)，討論到關(guān)鍵處，怕微信上說(shuō)不清楚，時(shí)新建會(huì)立刻和“小分隊(duì)”成員們到會(huì)議室會(huì)合，將“線上”交流轉(zhuǎn)到“線下”。“我們都是一個(gè)系，辦公室相距只有幾十米，所以理論跟實(shí)驗(yàn)互動(dòng)非常頻繁。”賈瑜說(shuō)。

加班加點(diǎn)也是“家常便飯”。呂鵬記得，2023年元旦期間，很多人都在休假或游玩時(shí)，“小分隊(duì)”還在研究討論。凌晨?jī)扇c(diǎn)甚至徹夜工作也是常態(tài)。時(shí)新建在辦公室里放了一張簡(jiǎn)易床，呂鵬也常常在辦公室一住就是一星期……

時(shí)新建團(tuán)隊(duì)。

盡管快馬加鞭，他們最初預(yù)計(jì)的投稿時(shí)間仍然一推再推。從預(yù)計(jì)的9月，推遲到10月，最后一直推到了12月。

“沒辦法，要實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的地方太多了！”時(shí)新建說(shuō)，近一年的時(shí)間里，他們構(gòu)建了近千個(gè)計(jì)算模型模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，初稿一度達(dá)到700多頁(yè)，包含500多幅數(shù)據(jù)圖片。

好在功夫不負(fù)有心人。他們終于揭開了這項(xiàng)化學(xué)反應(yīng)的精妙之處——高度的選擇性。在碳基材料電催化作用下，尿液中的諸多成分里，只有尿素能與雙氧水結(jié)合形成晶體，而其他物質(zhì)則留在液相中，從而讓研究者能夠精準(zhǔn)地將尿素以固體形式提取出來(lái)，轉(zhuǎn)化為過(guò)碳酰胺晶體。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的重結(jié)晶過(guò)程，其純度可以近乎100%。

扎實(shí)的研究讓他們的投稿僅經(jīng)過(guò)一輪修改就被接收。其中一位審稿人指出：“這項(xiàng)研究具有很高的價(jià)值。它展示了一種利用可再生電力，通過(guò)使用過(guò)氧化氫從尿液中回收尿素的替代方法，可以為廢棄物管理帶來(lái)巨大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。”

過(guò)碳酰胺獲取過(guò)程及廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

“不一定非得在名校才能做好的研究”

一直以來(lái)，工業(yè)上生產(chǎn)尿素需要在高溫高壓下讓氨氣和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，能耗巨大。“我們的方法在溫和條件下就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，不僅節(jié)能環(huán)保，還能保證產(chǎn)品的高純度和尿素分子的完整性。而且我們的碳基催化材料穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉。”時(shí)新建說(shuō)。

這項(xiàng)從“液態(tài)黃金”提煉出“固態(tài)寶藏”的技術(shù)，還蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化價(jià)值。研究顯示，用該方法每日生產(chǎn)1噸過(guò)碳酰胺，只需要100平方米的土地，以及來(lái)自6382戶家庭或3800頭奶牛的尿液，相比傳統(tǒng)方法成本更低，且能產(chǎn)生更純、更有價(jià)值的最終產(chǎn)物，具有很高的工程可行性。

尿液大規(guī)模集中處理概念圖。

令研究團(tuán)隊(duì)驚喜的是，這項(xiàng)工作還入選了期刊封面。“我們的封面設(shè)計(jì)圖中，催化劑被設(shè)計(jì)成了蝴蝶的翅膀，意味著尿液廢水經(jīng)過(guò)處理后，‘蛻變’為環(huán)境友好型的高附加值產(chǎn)物和較為干凈的液體。”時(shí)新建解釋說(shuō)。

談起研究從想法“蛻變”為現(xiàn)實(shí)的密碼，他回答說(shuō)：“因?yàn)橛袌F(tuán)隊(duì)的協(xié)作努力，每個(gè)人都全力以赴。”

面向未來(lái)，時(shí)新建已經(jīng)構(gòu)想出一套城市廢水處理產(chǎn)業(yè)化方案：設(shè)計(jì)出一個(gè)大型設(shè)備，尿液通過(guò)后，產(chǎn)生的固體被自動(dòng)收集，液體繼續(xù)往前流動(dòng)。經(jīng)過(guò)反應(yīng)池后，液體會(huì)變得越來(lái)越純凈，尿素含量越來(lái)越低。最終使尿液實(shí)現(xiàn)純水、尿素以及其他無(wú)機(jī)鹽三相分離，變廢為寶。

不僅如此，在新能源領(lǐng)域，他所在團(tuán)隊(duì)還與多家企業(yè)合作，針對(duì)海上能源站開發(fā)了基于光伏和光催化技術(shù)的原位產(chǎn)氫裝置創(chuàng)新技術(shù)。“不一定非得在斯坦福等名校才能做好的研究，大家更在意的是是否在好的團(tuán)隊(duì)。我相信在河大一樣可以建設(shè)這樣的團(tuán)隊(duì)。”時(shí)新建說(shuō)，“何況河大也有多個(gè)‘雙一流’學(xué)科示范點(diǎn)，我們的材料學(xué)專業(yè)也在快速向‘雙一流’學(xué)科發(fā)展。”

每天穿梭在河南大學(xué)鄭州校區(qū)古韻與現(xiàn)代交融的校園中，與同事和學(xué)生做著喜歡的研究，時(shí)新建覺得這就是最幸福的事情。

時(shí)新建（前排左四）與合作團(tuán)隊(duì)。前排左三為論文共同通訊作者呂鵬，左五為共同作者姜岳，后排左三為共同作者曾柏林。

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