叶金花光催化 点水成金催碳生花访国家“千人计划”专家叶金花

国家"千人计划"特聘专家、天津大学-NIMS联合研究中心主任叶金花教授

论文引用率代表了某项成果被同行的认可程度,是衡量一个国家科研文献被其他国家或机构认可度的标志。十余年间,在Nature,NatureMater.,Phy.Rev.Lett.,Angew.Chem.Int.

Ed.等国际著名杂志上发表论文300余篇,同行引用近10000次,其中17篇论文被引超过100次,且单篇论文最高被引超过1200次,H因子达48。这一数据的拥有者是天津大学国家千人计划引进人才、材料科学与工程学院教授,日本国立物质材料研究机构(NIMS)环境再生材料研究中心首席研究员、中心主任叶金花。

叶金花是结晶学、材料物理及材料化学领域的著名科学家,在形状记忆合金、超导材料及物理等诸领域有深厚的造诣。近十余年来,叶金花带领研究团队一直从事新型高效半导体光催化材料的开发以及在太阳能转换和环境净化方面应用的研究,在新型光催化材料的能带工程设计、纳米调控与组装等方面取得了多项国际领先的创新性成果,始终处于国际前沿。

解析:神奇的光催化光催化,一个对于普通大众来说有些陌生的词汇,简单来讲就是"利用光的能量催化某种反应的发生过程"。这一过程无需消耗任何其他能源,催化剂的作用至关重要。这些催化剂可称为光催化剂,或者光触媒、光催化材料,主要采用半导体材料组成,即半导体光催化材料。

半导体光催化这一研究领域的发展时间并不长,1972年才最早在日本得以确立。40年来应用范围不断拓宽,近年已成为国际上最活跃的研究领域之一,特别在解决环境、能源等方面的问题上表现出巨大的应用前景。比如:它可以在不需任何能源辅助的前提下,将水和空气中的有机污染物降解、分解;可以通过太阳光把水分解制备成氢气,储存为氢能,而氢能是目前最清洁、最理想的能源;此外,还能够模拟自然界的光合作用,并以更高的转化效率将CO2转化成碳氢能源,实现自然界的碳循环,达到减排效果的同时,从根本上解决能源问题。

光子转化效率即载流子激发、输运及利用效率,是半导体光催化材料的研发必须考虑的首要指标和关键因素,这取决于半导体材料的晶体结构及能带结构。

"也就是说,半导体材料的禁带宽度决定了它能够吸收利用多少阳光。我们的目标是开发出具有更小禁带宽度的新型半导体材料,以利用更多的太阳光,进而让转化过程更有效地进行。"叶金花解释说。

转折:从超导到光催化

1984年,21岁的叶金花获得了公派东京大学留学的机会,并于1990年获得理学博士学位。这之后,她留日工作,就职于日本国立物质材料研究机构(NIMS)(即原日本科学技术厅金属材料研究所,2001年4月更为现名)至今,已成为该所首席研究员、环境再生材料研究中心主任。

最初,叶金花的研究重点并不在光催化,而是在超导材料的研究和设计方面。短短几年时间,便建树颇多。

早在20世纪90年代初,她就建立了YBa2Cu3Ox氧化物高温超导薄膜中氧含量(可调节超导特性)定量估算的方法,并通过研究发现低温制膜导致的超导性能下降及氧气下高温后处理引起的超导特性改善与阳离子的构造秩序密切相关,阐明了YBa2Cu3Ox薄膜成长机制及产生超导机制。

她还着重开展了"新超导材料PrBa2Cu3Ox的发现及超导机制的研究",采用改进的TSFZ方法,在世界上首次合成了PrBa2Cu3Ox超导体单晶,并在极限状态(高压、低温)下测定物性,从不同角度探究该物质的超导现象并研究其超导机制。这一研究成果结束了多年来关于PrBa2Cu3Ox是否有超导特性的争论,且为探索新超导材料及超导机制提供了有益的借鉴。

1999年前后,预见到半导体光催化领域的广阔前景,叶金花逐渐将研究重心向这一领域转移,把在氧化物超导材料领域所获得的结晶物理学材料设计手法、经验、知识等应用于光催化领域,开发可见光活性的新型光催化材料,并将其成功应用于光解水制氢和降解有害物。

她与南京大学邹志刚教授开展合作研究,于2001年在世界上首次发现可见光下分解纯水的新型光催化材料In1-xNixTaO4,并应用于光解水制氢,相关成果发表于当年12月份的Nature上。这种新型的可见光响应型氧化物半导体光催化材料的重要特征是,掺入的杂质原子可以形成新的电子能级,在光的激发下成为光活性中心。

尽管该材料的光子转化效率尚不足1%,但因其首创性和重要性,仍在国际上引起广泛关注,至今论文已被引用超过1200次。