生物質來源於豐富的可再生資源，是建設綠色可持續社會的化石燃料的有前途的替代品。
具有客製的分級孔結構、大的比表面積和各種表面功能團的生物質基炭材料，已被廣泛研究，有望為能源和催化相關材料提供新的解決方案。
近年來，生物基炭材料已經成為研究熱點，大型的國際生物基材料以及碳材料大會皆以未來全球可持續發展為目標。
圖｜張亞剛（來源：張亞剛）
不過，目前各大會議多集中討論科研的最新進展，對領域存在的問題討論較少。
基於此，來自電子科技大學的張亞剛教授就目前生物基新型功能材料研究領域代表性問題與挑戰進行了系統的總結。
近日，相關論文以【來自生物質前驅體的納米多孔炭材料：能源轉換和儲存的可持續材料】「Nanoporous Carbon Materials Derived from Biomass precursors: Sustainable Materials for Energy Conversion and Storage」為題，發表在 Electrochemical Energy Reviews [1]。
圖｜相關論文 (來源：Electrochemical Energy Reviews)
此綜述對生物質基炭材料領域的問題與困難進行了詳細的討論，比如：生物基炭材料的結構與其他炭材料有何不同？為何不同生物基原料制備的炭材料效能差異顯著？它們在吸附、催化、能源領域的套用如何？成本（如運輸、能耗、得率）如何？
再比如：為何大多數生物基炭材料力學效能差？有無通用方法提升其力學效能？如何更好地利用生物基炭材料？從碳達峰、碳中和角度看，生物基炭材料是增碳還是減碳？
「由於是對生物質基炭材料領域中被回避的難題與敏感問題進行剖析，容易讓人覺得我們不是在為領域造勢，而是在挑刺。
因此審稿人和編輯非常謹慎，認真細致，審稿時間長，但鑒於我們論文的創新性和獨到的視角，最終獲得了編輯的認可。」張亞剛說。
不過他也表示，審稿人提出了非常多寶貴的意見。在學術界，指出領域一直存在但大家都回避的問題的論文往往比較難發表，但是張亞剛覺得自己很幸運，他們的文章得到了 Electrochemical Energy Reviews 主編孫學良院士和張久俊院士的認可和大力支持。
圖｜生物質基炭材料的物理與化學性質（來源：Electrochemical Energy Reviews）
談及生物基炭材料未來的潛在套用，張亞剛表示，目前生物基炭材料主要用於吸附分離領域如過濾凈化材料，少量套用於能源和催化領域。
他帶領團隊開發了一種無機骨架增強策略，嘗試提升生物基炭材料的力學效能，雖然取得了一些進展，但效能尚不理想。而他們在生物基新型功能材料領域研發的兩類新材料，具有良好的套用前景。
此外，該課題組曾經因發明專利「抗氧化劑八 [β-（3,5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸] 三季戊四醇酯的合成方法」，在第 47 屆瑞士日內瓦國際發明展專利榮獲金獎。
該新型抗氧化劑的設計方法，正是他所專註的功能導向與分子辨識相結合的新材料設計理念的案例。
張亞剛的主要研究領域是基於功能導向的分子辨識與組裝的新材料設計。
據介紹，該成果之所以獲得日內瓦國際發明展專利金獎的認可（專利號: ZL 201510909615），是透過整合更多抗氧化官能團並調節分子極性，得到揮發性更低、熱穩定性更好、抗氧化效能更突出的抗氧化劑。
張亞剛說：「在這個領域，我團隊取得了兩項讓我非常自豪的成果：其一是利用工農業廢棄物，發明了沙漠土壤改良材料體系（專利號: ZL 201810121115）；其二是發明了一種生物基新型功能材料，能夠大幅減少香煙煙氣中的致癌物，對保護吸煙者健康發揮重要作用。」
談及如何擬定課題到研究成功，張亞剛表示：「我做科研的原則是，研究的問題必須是真問題，因此研究皆來源於真實需求。」
據了解，他的兩項代表性成果最初是偶然選題。
2016 年，重慶交通大學副校長易誌堅教授提出的「沙變土」技術在網上走紅，盡管一些學者提出質疑，但他認為前沙漠土壤改良是真需求，值得研究。
於是，張亞剛和團隊發明了利用工農業廢棄物改良沙漠土壤的材料體系和方法。
2017 年，張亞剛在深圳的學術會議上看到一家企業推廣用石墨烯調節香煙煙絲水分、減少煙氣中致癌物的產品。
雖然對其工作機理持懷疑態度，但這激發了他們研發能減少香煙煙氣中有害致癌物的新材料的想法。
透過近兩年的努力，張亞剛課題組采用分子辨識與組裝的方法，基本實作了該目標。
「科研就像申請基金，方案要從科學原理上講得通，不僅需要具備可行性，還要透過實驗不斷驗證和最佳化，最終接近目標。」張亞剛說。
張亞剛回憶科研中一些難忘的事情，感慨良多。
第一，「走過的路都算數」這句話以前他常聽說，但回國後才逐漸領悟。
針對中國石化堵水調剖新型功能材料的需求，他帶著學生到新疆阿克蘇的油脂廠調研，看到大量的油腳和皂角，同時也開始研究解決新疆煤電、煤化工固體廢棄物粉煤灰的問題，率先開展了粉煤灰制地質聚合物、耐鹽性吸水樹脂和水泥熟料的研究。
多年後，當研究人員開始研發沙漠土壤改良材料體系時，這些積累的研究經驗讓他豁然開朗。
透過整合粉煤灰、風化煤、油腳、皂角等工農業廢棄物，他們成功解決了沙漠土壤改良中的化學組成、顆粒級配、有機質和微生物調控等難題。正是這些之前的積累，促成了今天的突破。
第二，「無心插柳柳成蔭」是他在材料研究中的真實寫照。張亞剛表示，之前從未想過能透過材料研究解決能源問題，尤其是碳中和這樣的全球挑戰。
沙漠/荒漠土壤改良的意義重大，不僅因為它可以提供新能源站建設的場地，更因為它透過綠植固碳，助力全球碳中和目標的實作。
中國在 2012-2022 年間新增了約 19 萬平方公裏的森林，產生了每年 8.4 億噸的碳匯。這僅占全球荒漠化土地面積的 0.53%，卻展現了土壤改良的巨大潛力。
未來的碳中和不僅依賴於能源供應端的技術進步，還需從人為固碳端發力。沙漠土壤改良無疑是這一領域的突破口。此外，做科研也常伴隨機緣巧合。
2017 年深圳展會讓他萌生了開發吸附香煙中致癌物材料的想法，盡管起初無人支持，但他們在 2020 年後不斷取得進展，正逐步接近目標。
張亞剛認為，做科研要敢於突破傳統思維，挑戰權威。對於研究的後續計劃，他表示，其研發的利用工農業廢棄物改良沙漠土壤的方法，已獲中國發明專利授權（ZL 201810121115.4）。
他希望這項技術未來能在全球免費推廣，讓更廣袤的沙漠和荒漠地區覆蓋更多綠地，助力碳中和。
針對香煙煙氣中有害物質的特異性吸附功能材料已申請專利，相關論文也在撰寫，並孵化了相關初創公司。
張亞剛表示，科研雖然辛苦，但是一份神聖的職業。科研工作者不僅要發現和解釋科學原理，還要發明有益的材料和技術，造福社會。
只要真心熱愛科研，必將迎來開花結果的時刻。同時，科研人員要將復雜問題簡單化，用通俗易懂的語言傳達給大眾，他認為這也是科研人義不容辭的責任。
參考資料：
1. Zhikai Chen, Xiaoli Jiang, Yash Boyjoo, Lan Zhang, Wei Li, Lin Zhao, Yanxia Liu, Yagang Zhang*, Jian Liu*, Xifei Li*. Nanoporous Carbon Materials Derived from Biomass precursors: Sustainable Materials for Energy Conversion and Storage. Electrochemical Energy Reviews , 2024, 7, 26,1-38. https://doi.org/10.1007/s41918-024-00223-y
2.Yanxia Liu, Lulu Wang, Lin Zhao, Yagang Zhang*, Zhan-Ting Li *, Feihe Huang *. Multiple hydrogen bonding driven supramolecular architectures and their biomedical applications. Chemical Society Reviews , 2024, 53, 1592-1623. https://doi.org/10.1039/d3cs00705g
3.Yanxia Liu, Lulu Wang, Haitao Li, Lin Zhao, Yanfu Ma, Yagang Zhang*, Jian Liu*, Yen Wei*. Rigorous recognition mode analysis of molecularly imprinted polymers—rational design, challenges, and opportunities. Progress in Polymer Science 2024, 150, 101790 https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2024.101790
4.Chen Zhikai, Jiang Xiaoli, Zhang Yagang*, Li Wei, Tang Zhiqiang, Liu Yanxia, Zhao Lin. Inorganic skeleton a generic ap-proach to improve the mechanic properties of biochar. Nanomaterials , 2023, 13, 1298. https://doi.org/10.3390/nano13081298
5.Yanxia Liu, Lulu Wang, Lin Zhao, Yagang Zhang*. Structure, properties of gossypol and its derivatives-from physiological activities to drug discovery and drug design. Natural Product Reports , 2022, 39, 1282-1304. https://doi.org/10.1039/d1np00080b
6.Tang Z, Huang W, Zhang Y,* Liu Y, Zhao L. Direct observation of the Mpemba effect with water: Probe the mysterious heat transfer. InfoMat . 2023;5:e12352. https://doi.org/10.1002/inf2.12352
7．發明專利名稱: 一種利用廢棄物為土壤改良劑治理沙漠化土壤的方法，發明人: 張亞剛，姜瑩芳，王璐璐，張樂濤，艾克熱木·牙生. 授權公告日 : 2020.10.09, 授權專利號：ZL 201810121115
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