“一聲驚雷過(guò)后，空氣里的氮?dú)夂脱鯕饨?jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)，最終變成硝酸。硝酸隨雨水落下，和土壤中的物質(zhì)結(jié)合，化作植物可吸收的氮肥。一百多年前，哈伯由于發(fā)現(xiàn)氮?dú)饪梢院蜌錃夂铣砂睔猓_創(chuàng)了人工合成氮肥的全新歷程……”

在北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，專為大一新生開設(shè)的“今日化學(xué)”講座課上，一位身材高大、言語(yǔ)風(fēng)趣的老師，將催化現(xiàn)象的歷史與前沿，用生動(dòng)易懂的語(yǔ)言描繪出來(lái)。

他就是新晉中國(guó)科學(xué)院院士、北大化學(xué)與分子工程學(xué)院教授馬丁。

在化學(xué)圈，他是敢于探索“無(wú)人區(qū)”的領(lǐng)軍人——深耕多相催化領(lǐng)域十余載，破解“鐵基費(fèi)托合成”高碳排放難題，實(shí)現(xiàn)近乎零碳的綠色制氫技術(shù)，創(chuàng)造了連續(xù)兩天在《自然》和《科學(xué)》雜志上發(fā)表成果的學(xué)術(shù)佳話；在生活中，他對(duì)化學(xué)之外的“風(fēng)景”也充滿熱情，帶著課題組登山、騎行，行萬(wàn)里路，打破思維繭房，從興趣中收獲更多科研靈感。

對(duì)這位高產(chǎn)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，嚴(yán)肅的科學(xué)與多彩的生活從不矛盾，它們相互催化，激發(fā)著科學(xué)創(chuàng)新的無(wú)限可能。

馬丁在實(shí)驗(yàn)室操作反應(yīng)器。

探路“氫能制備”

馬丁的辦公室布置得與眾不同——還未進(jìn)門，就會(huì)被墻上掛著的一幅海報(bào)吸引。畫面上騎行者的背影向著夕陽(yáng)染紅的山路前行，下方寫著一行英文：“Let's run away（讓我們奔向遠(yuǎn)方）”。

騎行是馬丁課題組的共同愛(ài)好，采訪也就自然從“騎行”說(shuō)起。

他指了指身旁的山地車，打了個(gè)形象的比喻：“我們的研究領(lǐng)域是多相催化。這就好比，一開始我們要騎行翻過(guò)海淀西山才能到達(dá)山另一側(cè)的溫泉鎮(zhèn)，很艱辛。但有了催化劑后，我們就不必翻山越嶺，省下體力能耗。”

多相催化反應(yīng)被譽(yù)為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的“魔法引擎”——它讓化學(xué)反應(yīng)在催化劑表面高效發(fā)生，是合成材料、生產(chǎn)燃料、凈化環(huán)境的核心技術(shù)。

催化研究常被比作“黑箱探秘”，科研人員在千百次嘗試中“摸”到一次成功的反應(yīng)，設(shè)計(jì)出新的催化劑，卻往往難以洞悉內(nèi)在機(jī)理。

“我們不僅要知道催化劑如何工作，更要在分子和原子層面精準(zhǔn)了解微觀反應(yīng)過(guò)程，從而設(shè)計(jì)出‘多邊形’催化劑?！瘪R丁解釋。事實(shí)上，這正是全球能源轉(zhuǎn)型面臨的迫切課題。開發(fā)高活性、高選擇性和耐用性催化劑，是實(shí)現(xiàn)綠色低成本能源化工的關(guān)鍵。

馬丁第一次接觸多相催化研究是在讀本科時(shí)。“當(dāng)時(shí)，我跟著導(dǎo)師進(jìn)行甲烷部分氧化制備合成氣的催化劑研究，希望找到一種更高性能的催化劑，可以既穩(wěn)定又高效地把甲烷轉(zhuǎn)化為合成氣?！钡谝淮螀⑴c科研項(xiàng)目的興奮，他至今仍記憶猶新，“我和師兄嘗試了數(shù)十種配方，做了大量實(shí)驗(yàn)，還真找到了一種催化劑。畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，我還做了長(zhǎng)達(dá)1000小時(shí)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)?！睂?shí)驗(yàn)順利完成，馬丁完全沒(méi)感覺(jué)到累，反而覺(jué)得做科研很有意思。

由此，馬丁踏上了探究多相催化領(lǐng)域的道路。

從在中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所獲得博士學(xué)位，到出國(guó)從事博士后研究工作，再到2009年進(jìn)入北京大學(xué)，馬丁一直專注于多相催化研究。隨著學(xué)習(xí)和研究的深入，馬丁愈發(fā)喜歡“老本行”，他希望自己能做更有特色的科學(xué)，也希望發(fā)現(xiàn)催化劑促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行的根本原因。

2014年，馬丁的目光投向氫氣制備。彼時(shí)，氫能領(lǐng)域研究者寥寥。產(chǎn)氫用何種媒介、什么樣的催化劑，如何控制反應(yīng)過(guò)程，從而促進(jìn)氫氣儲(chǔ)存和釋放反應(yīng)時(shí)的各種性能？他覺(jué)得這是個(gè)“很有未來(lái)”的科學(xué)問(wèn)題。聚焦水分子活化和高效催化產(chǎn)氫的科學(xué)本質(zhì)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開了多路徑的大膽探索。

氫是一種能量密度很高的清潔可再生能源，但其存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)碾y題一直以來(lái)都是阻礙氫能大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

很快，馬丁注意到甲醇的潛在氫能應(yīng)用前景?！凹状寄芰棵芏雀?，作為氫的介質(zhì)最為可行?！彼榻B，一種可能的解決方案是將氫氣存儲(chǔ)于液體甲醇中，通過(guò)水和甲醇的重整反應(yīng)原位產(chǎn)氫供燃料電池使用。但是，氫氣化學(xué)性質(zhì)活潑，傳統(tǒng)的甲醇蒸汽重整操作需要在200℃至350℃的高溫下進(jìn)行，如果要讓氫燃料電池更好地在實(shí)際生活中應(yīng)用，就必須改進(jìn)甲醇和水的重整產(chǎn)氫反應(yīng)，“這就需要一種能高效活化水和甲醇的催化劑。”

科研突破是無(wú)數(shù)次失敗中為數(shù)不多的成功。

2017年，馬丁帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)終于創(chuàng)新性地開發(fā)出鉑-碳化鉬雙功能催化劑，成功在低溫下實(shí)現(xiàn)從甲醇和一氧化碳出發(fā)的高效制氫，該成果當(dāng)年入選“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。2021年，團(tuán)隊(duì)再次取得關(guān)鍵進(jìn)展，創(chuàng)制了全球首例兼具超高活性與超長(zhǎng)穩(wěn)定性的水氣變換制氫催化劑，相關(guān)研究成果于2023年獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

勇攀學(xué)術(shù)高峰

做科研要敢啃硬骨頭，但馬丁認(rèn)為，不是所有的硬骨頭都值得啃，“要解決時(shí)代賦予我們的、需要解決的重要科學(xué)問(wèn)題。”

隨著全球能源轉(zhuǎn)型成為人類共同面臨的迫切課題，我國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)，馬丁將科研目光精準(zhǔn)投向相關(guān)領(lǐng)域。近年來(lái)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)逐漸凝練出核心攻關(guān)方向——破解氫能制備難題、重塑碳循環(huán)路徑、推動(dòng)廢塑料資源化。

在制氫領(lǐng)域，催化劑的“高活性”與“高穩(wěn)定性”難以兼得，一直是科學(xué)家面臨的核心挑戰(zhàn)之一。

在前期的研究中，課題組發(fā)現(xiàn)，貴金屬鉑與碳化鉬、氮化鉬等活性載體構(gòu)建的界面催化體系可以在較低溫度下制氫。然而，由于這類活性載體在水環(huán)境中極易被氧化，催化中心的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到嚴(yán)重制約，最終會(huì)導(dǎo)致催化劑快速失效。這也成為限制其工業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。

為此，馬丁提出一種兩者兼顧的催化劑穩(wěn)定策略：在催化劑表面構(gòu)筑惰性稀土氧化物的納米覆蓋層，形成納米尺度的“保護(hù)盾”，以保護(hù)界面催化結(jié)構(gòu)，并在不影響界面結(jié)構(gòu)超高催化活性的前提下提升催化劑穩(wěn)定性?！斑@就像給一把鋒利的菜刀穿上一件特殊的防護(hù)衣，防銹耐損，延長(zhǎng)其使用壽命?！?/p>

四五年間，馬丁和團(tuán)隊(duì)在一次次“翻車”中不斷試錯(cuò)，不斷調(diào)整前行的方向。

他常常鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員：“做科研的過(guò)程就像是爬山，在登頂之前，需要不停地攀登。登頂之時(shí)，山峰在腳下，種種辛苦也都過(guò)去了。”樸實(shí)的話語(yǔ)，透著一絲不茍、追求極致的勁頭。

最終，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，新型催化劑在制氫反應(yīng)中展現(xiàn)出超過(guò)1000小時(shí)的穩(wěn)定性。同時(shí)，催化劑還實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1500萬(wàn)的催化轉(zhuǎn)化數(shù)，保持了超高活性，創(chuàng)造了甲醇-水制氫催化反應(yīng)的最高紀(jì)錄。該研究還找到了界面催化劑穩(wěn)定性的“通用密碼”。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這一高活性產(chǎn)氫催化劑穩(wěn)定策略在釔、鐠等稀土元素以及鈣、鍶等廉價(jià)金屬中，均可能實(shí)現(xiàn)類似效果，有機(jī)會(huì)應(yīng)用在更多高性能催化劑設(shè)計(jì)中。

2025年2月13日，相關(guān)研究成果登上《自然》雜志。

“這項(xiàng)研究在投稿過(guò)程中被拒了3次，審稿周期歷時(shí)一年半，對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這是極大的考驗(yàn)。”馬丁回憶，盡管困難重重，但大家都沒(méi)有放棄，在回答審稿意見(jiàn)的過(guò)程中，補(bǔ)充了大量的實(shí)驗(yàn)，拿出更扎實(shí)可靠的數(shù)據(jù)和科學(xué)解釋，最終獲得了審稿人的認(rèn)可，“更幸運(yùn)的是，我們?cè)诨卮饘徃逡庖?jiàn)所做的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了更好的催化劑體系。目前，新的研究工作也已經(jīng)基本完成，我們正在整理相關(guān)成果?！?/p>

2025年2月14日，馬丁課題組的另一項(xiàng)制氫領(lǐng)域突破性成果在《科學(xué)》雜志發(fā)表，聚焦“乙醇-水重整制氫技術(shù)”零碳排放。該研究基于團(tuán)隊(duì)在金屬-碳化鉬催化劑體系10余年的積累，創(chuàng)新提出雙金屬-碳化鉬體系“選擇性部分重整”制氫新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在溫和條件下高通量制備氫氣，同時(shí)達(dá)到二氧化碳零排放。

連續(xù)兩天在國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表重磅研究成果，這兩項(xiàng)互補(bǔ)的技術(shù)路徑，為綠色氫能的大規(guī)模應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

破解“百年難題”

百萬(wàn)分之一的不同，能為碳減排帶來(lái)什么？

2025年10月末，馬丁課題組又一項(xiàng)圍繞碳排放問(wèn)題的突破性成果在《科學(xué)》雜志發(fā)表，破解了困擾全球化工界的百年難題。

“化石能源是人類工業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。從礦場(chǎng)到工廠，化石能源要經(jīng)歷多個(gè)處理環(huán)節(jié)。費(fèi)托合成就是其中一項(xiàng)關(guān)鍵工藝。”馬丁介紹，費(fèi)托合成多用于將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料或烯烴等高值化學(xué)品。一直以來(lái)，該技術(shù)主要采用的鐵基催化劑，占據(jù)了全球三分之二以上的費(fèi)托合成產(chǎn)能。然而，這項(xiàng)技術(shù)最大的短板就是會(huì)在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量二氧化碳，產(chǎn)率常高達(dá)30%，導(dǎo)致碳資源浪費(fèi)。

馬丁團(tuán)隊(duì)和合作者提出了一種全新思路：在反應(yīng)氣體中，加入百萬(wàn)分之一濃度的鹵素化合物，“就像在烹飪中加入一滴‘分子級(jí)調(diào)味料’?！彼蜗蟮乇扔?，微小的添加量，可以帶來(lái)巨大的反應(yīng)差異：研究發(fā)現(xiàn)，這些鹵素分子在反應(yīng)中以“動(dòng)態(tài)調(diào)控者”身份存在，在鐵基催化劑表面不斷吸附、解離、再結(jié)合，像“電子開關(guān)”一樣調(diào)節(jié)催化劑的表面狀態(tài)，阻斷催化劑表面的水分子活化，從而阻斷一氧化碳和水生成二氧化碳。同時(shí)，該策略還能防止烴類過(guò)度氫化，使更多碳原子用于生成烯烴。

“這項(xiàng)重要成果其實(shí)來(lái)源于一次實(shí)驗(yàn)中的意外發(fā)現(xiàn)?！瘪R丁說(shuō)，團(tuán)隊(duì)成員在例行實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，某一次反應(yīng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，二氧化碳的選擇性降到了個(gè)位數(shù)，“基于這個(gè)異?，F(xiàn)象，我們迅速開展了探究，最后發(fā)現(xiàn)是裝合成氣的鋼瓶中，摻雜了百萬(wàn)分之一的含鹵素化合物。正是這百萬(wàn)分之一的‘污染’，改變了催化劑在反應(yīng)條件下的表面結(jié)構(gòu)，從而改變了整個(gè)催化劑的反應(yīng)性能?！?/p>

馬丁敏銳地意識(shí)到，這一發(fā)現(xiàn)非常重要，于是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)加班加點(diǎn)，僅用不到一年的時(shí)間就完成了實(shí)驗(yàn)，對(duì)鹵素分子在催化反應(yīng)中的作用機(jī)制有了充分認(rèn)識(shí)。研究表明，通過(guò)向鐵基費(fèi)托合成反應(yīng)氣體中添加百萬(wàn)分之一濃度的鹵素化合物，團(tuán)隊(duì)成功將二氧化碳副產(chǎn)物從傳統(tǒng)工藝的30%左右降至1%以下，實(shí)現(xiàn)“近零碳排放”，同時(shí)將高附加值烯烴產(chǎn)率提升至85%以上。這項(xiàng)技術(shù)破解了費(fèi)托合成高碳排放難題，為我國(guó)在“雙碳”目標(biāo)下推動(dòng)煤、天然氣、生物質(zhì)等碳資源的綠色轉(zhuǎn)化提供了新路徑。

“投稿很順利，從接收到發(fā)表僅用了兩個(gè)月，堪稱一次漂亮的‘沖刺’?！彼d奮地說(shuō)，鐵催化劑上的費(fèi)托合成技術(shù)已有100年的歷史，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家開展了長(zhǎng)期的深入研究，“雖然新的研究成果源于實(shí)驗(yàn)室里的一次偶然發(fā)現(xiàn)，但成果迅速發(fā)表，也是基于團(tuán)隊(duì)在費(fèi)托合成反應(yīng)領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)十幾年的研究積累。”

只要甘坐冷板凳、敢啃硬骨頭，終會(huì)迎來(lái)柳暗花明的那一刻。

“催化”多面人生

正如催化反應(yīng)需要介質(zhì)，科學(xué)靈感也需要碰撞。

在北大化學(xué)與分子工程學(xué)院，馬丁常穿著休閑服和牛仔褲，和學(xué)生們打成一片。教室內(nèi)、樓道里，無(wú)論是不是課題組里的學(xué)生，他都會(huì)興致勃勃地聊上幾句。

課題組里，團(tuán)隊(duì)成員輪流分享進(jìn)展，不同方向的想法常?；ハ唷按呋薄ｑR丁就坐在大家中間，每當(dāng)捕捉到值得深入討論的亮點(diǎn)，他便興奮地站起來(lái)，大步流星走到臺(tái)前和成員互動(dòng)探討。講到多相催化領(lǐng)域的幾個(gè)重點(diǎn)研究方向，他洋洋灑灑的講述，遠(yuǎn)超一篇文獻(xiàn)的容量。

馬丁形容團(tuán)隊(duì)的風(fēng)格是“團(tuán)結(jié)緊張，嚴(yán)肅活潑”?！霸诙嘞啻呋目傮w框架下，大家結(jié)合自身興趣選定不同方向開展研究，待在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間相對(duì)靈活。”馬丁笑著說(shuō)，他完全信任大家的自驅(qū)力，推進(jìn)關(guān)鍵問(wèn)題時(shí)，隨時(shí)可以來(lái)一場(chǎng)高強(qiáng)度的深入討論，“登上一座山后，意味著前方還有山要爬。我和學(xué)生們都很享受思維交流、互相催化的過(guò)程?！?/p>

對(duì)馬丁而言，教學(xué)也是另一種形式的催化反應(yīng)。在“今日化學(xué)”系列講座課中，他認(rèn)真準(zhǔn)備每一節(jié)內(nèi)容?！懊看味紩?huì)更新些前沿的、有意思的內(nèi)容，希望早些激發(fā)年輕人對(duì)科學(xué)的興趣?！彼詭Ы器锏匾恍Γ爱?dāng)然如果能吸引一些學(xué)生加入課題組，那就更好了！”

馬丁驚喜地發(fā)現(xiàn)，即便是大一新生的想法，也會(huì)與頂級(jí)期刊上的思路不謀而合。對(duì)于學(xué)生天馬行空的研究雛形，他相當(dāng)珍視，“很多點(diǎn)子都能啟發(fā)到我。”

實(shí)驗(yàn)室之外，馬丁還擁有多面人生。

翻開他的朋友圈，最常見(jiàn)的是九宮格圖。日常工作之余漫步校園，未名湖的四季在他的鏡頭下別具韻味，配文簡(jiǎn)潔明了：“走一圈”。帶著學(xué)生前往歐洲實(shí)驗(yàn)室科研交流的間隙，他在城市公園里跑步，在高原地區(qū)挑戰(zhàn)10公里，配文依然簡(jiǎn)潔明了：“跑一圈”。

“不可能一天到晚都在做化學(xué)，要跳出化學(xué)領(lǐng)域看世界，理解這個(gè)世界。”在馬丁看來(lái)，興趣與科研相輔相成，“每個(gè)人術(shù)業(yè)有專攻，但興趣愛(ài)好亦是人生風(fēng)景?！?/p>

馬丁課題組的網(wǎng)頁(yè)主頁(yè)上，每半年拍攝一次的“全家福”記錄著團(tuán)隊(duì)的成長(zhǎng)。校園美景里，馬丁習(xí)慣站在人群邊緣，與學(xué)生一同爽朗大笑。師生一同外出參加學(xué)術(shù)會(huì)議間隙的生活，也被記錄下來(lái)。有一年，在云南大理開會(huì)期間，正逢采茶時(shí)節(jié)，馬丁帶著學(xué)生一同去山間采茶，又向茶農(nóng)請(qǐng)教學(xué)習(xí)制茶。學(xué)生親手烘焙的茶葉，現(xiàn)在還珍藏在他辦公室的玻璃罐里。

“一天到晚坐在實(shí)驗(yàn)室里，不會(huì)有靈感，只會(huì)因?yàn)殚]塞、不交流而頭腦枯竭。我喜歡和學(xué)生們一起徒步、騎行、爬山。在祖國(guó)的大好河山和壯麗景象中，身體得到了鍛煉，心情得到了放松，生活增加了趣味，科學(xué)的靈感也隨之而來(lái)?！?/p>

這也是馬丁為人處世的哲學(xué)——張弛有度的狀態(tài)下，方能有所突破創(chuàng)造。

如今，站在科學(xué)高峰，馬丁依然保持著最初的那份好奇心。催化不僅是改變反應(yīng)路徑的科學(xué)，也是探索大千世界的橋梁。每一次實(shí)驗(yàn)，每一次遠(yuǎn)行，都在催生新的可能。

來(lái)源：北京日?qǐng)?bào)