先进材料如何同时破解“能源危机”与“环境危机”？

搁浅

先进材料如何同时破解“能源危机”与“环境危机”？（DOI: 10.1002/cssc.201100614）

一、背景：两个危机，一根救命稻草
2011年，全球化石能源消耗速度已远超地质储量更新速率，CO₂排放屡创新高。国际能源署警告：若延续“高碳”路径，2100年温升可能突破4℃。传统可再生能源虽被寄予厚望，却常陷入“节能不环保”或“清洁不经济”的怪圈——风电塔筒混凝土耗材巨大、晶硅电池生产伴生高毒SiCl₄……寻找“既供能又减碳”的系统性方案，成为当年化学与材料界的最前沿命题。
二、专题缘起：把“可持续性”写进分子结构
由武汉理工大学苏宝连教授、张清杰教授联合比利时那慕尔大学Davide Bonifazi、中南民族大学李金林共同客座主编，《ChemSusChem》在2010年10月“国际材料论坛”后推出15篇论文的专题号——《先进材料用于可持续能源与绿色环境》。内容分三大板块：

• 师法自然：用生物模板或活体细胞制造功能材料；
  
• 光尽其用：太阳光驱动环境修复、发电与绿色合成；
  
• 储能用功：燃料电池、液流电池、超级电容及一体化催化反应器。
  
  

三、核心亮点速览

• 生物模板——“零高温”制备多孔光催化材料
  
  • Fan等综述：以树叶、细菌、蛋壳为模板，复制其分级多孔（Hierarchical porous）结构，获得TiO₂、ZnO“人工树叶”。可见光下分解水制氢效率提升2-3倍，且制备温度<100℃。
    
  • Xu等直接利用活体藻类包埋于SiO₂凝胶，做成“活的过滤器”，可在日光下连续30天将废水中的Cr(Ⅵ)还原为低毒Cr(Ⅲ)，速率是悬浮藻液的5倍。
    
    
• “慢光子”策略——让光“停一停”提高吸收
  Wu等首次报道三维有序大孔TiO₂反蛋白石（3DOM）。当光子带隙边缘与染料吸收峰匹配时，光速被减慢10倍，光-物质作用时间延长，RhB降解速率提高4倍。该概念为后来“光子晶体光催化”奠定理论基础。
  
• 选择性氧化——把污染物变成精细化学品
  Palmisano组提出“光催化有机合成”新路线：以苯为例，在Pt-TiO₂/可见光体系下氧化生成苯甲醛、苯甲酸，选择性>80%，副产物仅为水。传统路线需高温、KMnO₄等强氧化剂。
  
• 燃料电池与液流电池——高温膜与低成本膜并进
  
  • Lobato等开发TiOSO₄复合聚合物膜，用于130℃质子交换膜燃料电池（PEMFC），功率密度达0.6 W cm⁻²，CO耐受性提高一倍。
    
  • Schwenzer等系统梳理钒液流电池（VRFB）隔膜进展：指出多孔PBI（聚苯并咪唑）膜可在不增成本的前提下，将库伦效率从88%提至>96%，为兆瓦级储能扫清障碍。
    
    
• 一体化催化——“一个反应器多步反应”
  Su & Siffert提出“分级催化”（Hierarchical catalysis）概念：将多步氧化反应集成于单一纳米反应器，减少分离-纯化步骤，能耗与废物各降50%以上。以VOCs完全氧化为例，空速提高3倍，反应温度下降80℃。
  
• 碳纳米管新玩法——可逆捕集金属离子
  Bonifazi等把吡啶基共价接枝到CNT，实现Cu²⁺、Ni²⁺选择性吸附，再生仅需用稀酸淋洗，循环20次容量保持>95%，为电子废水“金属银行”式回收提供原型。
  
  

四、启示与展望

• 材料设计须“多尺度耦合”：从分子掺杂→微孔/介孔/大孔分级→器件集成，每一步都嵌入生命周期评估（LCA）。
  
• “生物制造”是低碳捷径：常温、常压、自组装、可降解，可望实现“负碳材料”。
  
• 光-电-热-化耦合将成主流：把太阳能、废热、储能、催化装进同一颗粒或同一膜内，系统效率才能数量级提升。
  
• 政策与标准亟待跟进：当年多数EPD数据库尚未建立，导致“绿色度”难量化；十年后，随着ISO 14040/14044与欧盟“电池法规”落地，材料环保数据透明化已成刚需。
  
  

五、结语
专题号最后一页写道：“We are convinced that there can be no progress without novel materials.” 十年后回望，当年提出的“人工树叶”“慢光子”“分级催化”已从概念走向示范：2022年，欧盟“人工光合作用”旗舰计划启动；2023年，3DOM-TiO₂已用于美国加州阳光水厂；2024年，我国首次兆瓦级全钒液流电池商用。历史证明，只有将“能量效率—环境友好—经济可行”同时写进材料的DNA，才能真正让科技成为地球病的解药。