Brainy is the new sexy—-酷炫的教授喬世璋

Alisa 5年前 (2019-02-27) 8811瀏覽

【引語】

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看了喬世璋教授官方網站上的照片，可能會有人問，為什么你會說他酷？為什么？因為我覺得智慧才是性感酷炫的新潮流！如果你認同這句話，那么請往下讀，細細品味這位科學家的酷炫。

一、貢獻大 =?酷

我相信每一位科研工作者剛踏入各自研究領域的原因和動力里都會有那么一部分是不求名不求利，是想以自己的一點薄力把人類的知識庫在微不足道的一個小點上往外推動微不足道的那么一毫一厘。一生所學可能在歷史的長河里也不能夠濺起水花半朵，但不斷為科學、社會、為人類做出貢獻的人總是很苦但是很酷。

喬世璋教授在天津大學化工系獲得學士和碩士學位，在香港科技大學獲得博士學位。曾在澳大利亞昆士蘭大學先后任研究員、高級研究員及副教授。現為澳大利亞阿德萊德大學化工學院納米技術首席教授，澳大利亞昆士蘭大學榮譽教授。主要致力于新能源技術納米材料領域的研究，包括電催化、光催化、燃料電池、超級電容器、電池等。在Nature、Nature Materials、Nature Energy、Nature Communications、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等國際重要刊物上發表370余篇學術論文，文章總引用次數超過37000余次，h指數為98。擁有多項發明專利，從工業合作伙伴及澳大利亞研究委員會獲得研究經費超過1,100萬美元。不僅如此，喬教授還獲獎無數，包括著名的ARC榮獲獎學金（2017），埃克森美孚獎（2016），ARC Discovery杰出研究員獎（DORA，2013），新興研究員獎（2013，美國化學學會ENFL部門）和UQ基金會研究卓越獎（2008）。同時，他還擔任多本雜志的副主編。

作為一個理工科博士，在我眼中，僅這些官方的數據和信息就已經足夠使喬教授的貢獻可以和酷炫一詞劃等號了。

再看喬世璋教授早期的一些文章，可以說為相關領域的發展起到了帶頭和奠基的作用。例如2008年課題組使用氫氟酸作為形態控制劑，合成了高活性的{001}晶面占比高達47%的銳鈦礦型TiO₂單晶，研究結果發表在Nature上，引起了不小的轟動，單篇引用量超過三千。晶體生長過程中由于要滿足表面能的最小化，具有高反應活性的晶面占比通常在晶體生長過程中會迅速減少。二氧化鈦就是一個典型的例子，銳鈦礦型TiO₂晶體大多以熱力學穩定的{101}晶面為主（占比超過94％），而不是反應活性更高的{001}晶面。文章中，課題組利用第一性原理計算證明了對于氟封端的TiO₂表面，這種相對穩定性是相反的：{001}在能量上優先于{101}晶面。在理論預測的基礎上，使用氫氟酸作為形態控制劑，合成了具有高百分比（47％）{001}晶面的銳鈦礦型TiO₂單晶。而且由于銳鈦礦單晶的表面是多孔結構，簡單的熱處理就能夠將表面的氟除去得到高純的TiO₂單晶而不改變晶體的結構和形態。此外，課題組還將此種效應的理論計算研究擴展到了一系列非金屬吸附原子，極大擴展了高純度銳鈦礦單晶在太陽能電池，光子器件和光電器件，傳感器和光催化中的應用。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/nature06964

再如2012年發表在Angewandte chemie上的文章，首次設計并制備出N、S雙摻雜的介孔石墨烯，作為新型非金屬催化劑催化ORR反應，實驗數據和量子化學計算都顯示氮原子和硫原子的摻雜對碳原子起到了雙重活化的作用，課題組還首次利用二氧化硅納米粒子在石墨烯中制造中孔，形成有利于氧還原反應傳質過程的多孔結構。推動了非金屬納米材料在燃料電池、鋰離子電池、光催化、水處理等領域的發展。

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.201206720

讀了很多喬世璋教授為材料和能源領域做出的奠基性研究，理工科的我覺得這個科學家有點酷。

二、勇于創新?= 引人入勝

理工類研究首重研究方向，喬教授帶領的課題組研究課題相對比較熱門，是世界各國政府都很重視的研究方向，而且不怕沒有前人鋪路，再新再難也敢上手去做；因此貢獻了很多創新性研究成果，引人入勝，紛紛引用。

2019年課題組對傳統的Ru基和Ir基催化劑進行了重新設計和制備，突破了兩種傳統催化劑的活性和穩定性極限。設計并構建了一種具有異質結構的OER電催化劑：高應變釕核和部分氧化的銥殼之間存在金屬-金屬氧化物異質結并形成了強烈的電荷再分布。銥殼的化合價增加和釕核的化合價降低引發了電子和結構相互作用的協同效應，有利的價態和穩定的納米結構使Ru@IrOx的活性和穩定性雙雙增強。這項工作為通過合理促進異質結構內的電荷再分配、制備高效電催化劑打開了新的視野。該成果發表在Chem上。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929418305278

2017年課題組利用拉伸應變理論知識聯結原子電子結構特性和氧化鈷的表面活性，形成大量氧空位，促進水分解，通過微調電子結構減弱氫在催化劑表面的吸附能達到最佳吸附態。該成果發表在Nature Communications上。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-01872-y

三、細致入“微” = 魅力四射

喬教授的論文大多數都會在微觀層面下大功夫，進行原子水平、分子水平的研究，在基礎科學領域講故事，研究的切入點雖小，研究成果的應用面卻很廣，做到了細致入微，以小見大，拜讀相關成果后受益良多。

2017年課題組借助理論計算設計并合成了新型MXene材料：Ti₃C₂納米顆粒作為高活性助催化劑，通過水熱法將Ti₃C₂納米顆粒與CdS成功復合，實現了超高的可見光光催化產氫活性，而且Ti₃C₂納米顆粒還可以作為ZnS或Zn_xCd_1?_xS的助催化劑，提高光催化產氫效率。此工作中的理論計算起到了十分重要的作用，通過構建不同分子結構模型，分別計算析氫反應中間態H*在不同結構表面的吉布斯自由能ΔG_H*，發現純Ti₃C₂的ΔG_H*?= -0.927eV，即H*在其表面上的化學吸附太強，不利于中間態H*及產物的脫附；F封端的Ti₃C₂的ΔG_H*?= 1.995eV，雖然易于氫氣的解吸卻對中間態H*的吸附極弱。這兩種情況對HER都不利。但是發現O封端的Ti₃C₂的|ΔG_H*|?= 0.00283eV，該值甚至遠低于Pt和其他高活性的HER催化劑（Pt: ΔG_H*?= 0.09eV,?MoS₂:?ΔG_H*?= 0.08eV,?WS₂:?ΔG_H*?= 0.22eV），從熱力學的角度表明O封端的Ti₃C₂有顯著的HER催化活性，并通過實驗對此進行了證明，極大地推動了MXene材料在光催化領域的研究進展。該成果發表在Nature Communication上。