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近日，美国密歇根大学博士后周鹏以第一作者身份，收获了人生中的第一篇Nature论文。刚步入35岁的他，给自己送了一份新年大礼。这距离2021年1月投稿的日子，已过去整整2年时间。这2年中，他经历了第1轮就被拒稿，4轮修改，关键环节审稿人还失联了，最终他用专业和真诚打动了审稿人和编辑。在论文中，周鹏他们开发了一种新型太阳光解水制氢的路径，可将水转化为氢气和氧气的效率提高到9%，是同类其他光解水制氢实验的近10倍。同时该方法成本低廉，理论推测，制备1公斤的氢气只需1美元。这项成果的发表，也让他更坚定了自己的科研方向，“太阳能制氢将是新能源研究领域的未来。期待学成归国，继续展开相关的研究。”周鹏说。
周鹏
这天，正在密歇根大学做博士后的周鹏照例和北京大学的师弟线上讨论课题。自周鹏从北大博士后出站已有半年时间，此前未完成的课题仍需师弟推进，所以他们时不时就开会讨论。讨论围绕光催化的反应系统展开。通常大家认为，光催化反应较为温和，在室温下即可发生，这是其最大的优势，因此几乎所有的光催化反应器都会设置冷却水对反应进行降温，但这又会增加反应器的设计难度。“为什么非要那么复杂？太阳光中本来就包含可以制热的红外光，它本身就可以促进反应，不进行冷却，就让它们在高温下反应不行吗？”师弟随口说道。一瞬间，周鹏像被“点了穴”，他的思绪一下子飞到了目前在做的课题上，“太阳光本身就会产生热量，合理利用这些热量进行光热协同催化，或许能促进反应效率？”到密歇根大学半年来，他一直苦恼于提高反应效率的问题。在光解水制氢的问题上，所在课题组已将效率提高至3%，这是同类研究反应效率的3倍。半年来，他尝试设计了很多种催化剂材料，希望能得到新的、更高效的催化剂。然而，这些实验均以失败告终。周鹏说，“所有的实验结果都在对我说，课题组现有的催化剂材料已经到了天花板。”他整个人也变得十分沮丧。直到师弟看似无心的一记反问，在周鹏头脑中恰似一记惊雷。他一直在催化剂结构上打转转，却忽略了催化剂的反应环境对性能影响的问题。“恰恰是光催化反应在室温下发生的优势，让我们忽视了它在高温下反应的效率问题。”周鹏告诉《中国科学报》。随后，周鹏等采取了两种策略为光催化制氢“提质增效”。一是控温，“早年间人们用废报纸糊墙保暖，我们在实验中用废报纸糊在反应器上，使其成为一个保温桶。”周鹏说。另一方面是增强光和热，他们通过棱镜装置将太阳光增强至160倍，保证反应过程中的高光强和高热量。而提高光催化反应温度的研究之所以少有人做，也和常规催化剂材料难以耐受高温有关。周鹏所在的课题组曾于2014年开发出半导体材料氮化铟镓（InCaN），最高能够经受800度的高温。这一新材料之前大多被用在LED显示器等的研发中，而周鹏将其应用到了化学反应中，收获了意想不到的效果。“科研中的idea真是太重要了。当思路打开之后，我们花8个月时间就完成了实验，如果不是疫情耽误了一些基础材料的购买，会做得更快。”周鹏说。2021年1月19日，怀着忐忑的心情，周鹏点击了上传按钮，将文稿投给了Nature杂志。经过3个月的第一轮审稿，便收到了编辑的拒稿消息。周鹏反复推敲审稿意见，发现是审稿人误解了材料的反应类型，认为材料性能在领域内不占优势。周鹏不甘心，于是便写了长长的解释信件，并补充了一系列的数据，一一解答了审稿人的疑虑。并表达了他们对拒稿结果的异议。就这样，来回经过了两轮的补充和解释后，原本以为打消了编辑和审稿人的顾虑，但又出了意外，一下好几个月过去了，那边音讯全无。“后来我们才知道，原来是编辑联系不上其中一位审稿人了。”周鹏说，编辑只好另找了两个人，对失联审稿人的意见进行仲裁，并提出新的审稿意见。周鹏刚刚放下的心，一下又悬了起来，“常规只需要一位仲裁人，这次一下子来了两位，他们都有一票否决权。”好在，两位仲裁者认为，他们已经解决了目前提出的大部分问题，且此前的审稿意见并不完全适用于这项研究。同时他们也重新提出了一些问题。就这样，又进行了一轮的修改调整，这篇论文终于得以接收。“在整个审稿过程中，我们遵循实事求是的原则，目前没有解决的问题、研究中有待完善的地方，如氢氧分离问题，都大大方方地承认，并阐述清楚研究的主要目的。后来想想，或许正是我们的真诚打动了仲裁人和编辑。”周鹏说。进入到2023年，周鹏也跨入了35岁的门槛，这篇Nature论文成果，无疑是他送给自己35岁最好的礼物。回想起3年前，周鹏刚从北京大学博士后出站，手握着6、7篇论文成果，也有相对不错的学校向他抛出橄榄枝。但他思考再三，决定赴密歇根大学再做一个为期3年的博士后。“当时做了很多利用新材料进行光催化反应的研究，但没有一个能用于工业生产。事实上，光催化制氢从1976年发展以来，在整个领域内，也几乎没有研究能走到工业车间进行规模化生产。究其原因，我认为是对催化反应系统的研究不足。”周鹏对《中国科学报》说，“相对于催化反应系统来说，催化剂材料的研发周期短、论文成果更好发，相关的研究我也做了不少，算是比较熟悉这类论文的‘套路’。”“我希望，能做点与以往不一样的东西。当我不再需要用论文篇数来证明自己的时候，就希望专注于耗时更长、更困难的问题，即光催化反应环境和反应系统的创新。”他说。因此，即便是赶上新冠疫情、实验断断续续，或者是多轮的审稿和修改，周鹏都能坦然面对。最终，他们利用太阳能作为能量来源，完全清洁，将水转化为氢气和氧气的效率达到9%，是同类光解水制氢实验的近10倍。同时成本十分低廉，按照一些理论研究的推测，光催化全解水制备1公斤的氢气只需1美元。然而，这对于实际应用来说，还远远不够。只有达到99.999%纯度的氢气，才能被直接应用在燃料电池上，而目前光催化全解水得到的只是氢氧混合物，纯度还不够。“我们希望，继续设计出新的制备方法，直接通过光催化水分解制备出高纯度的氢燃料。”周鹏说，“我的理想是，像电催化、热催化那样，光催化制氢也能在工业车间大规模应用。”对于有些人来说，35岁可能是职业的门槛。而对周鹏来说，35岁是他顺从内心做科研的重要转折。他的科研之路，才刚刚开始。DOI：10.1038/s41586-022-05399-1编辑 | 方圆
排版 | 郭刚
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