一次偶然的实验,中国学者意外发现甲醛“克星”,吸附性能高出活性炭近500倍|专访

一次偶然的实验,中国学者意外发现甲醛“克星”,吸附性能高出活性炭近500倍|专访
麻省理工科技评论 2020-07-17

2020-07-17

“如果没有这场疫情,我们现在应该已经回到国内,推广我们的技术了。” 刘明博士略显遗憾地说。
“如果没有这场疫情,我们现在应该已经回到国内,推广我们的技术了。” 刘明博士略显遗憾地说。

“如果没有这场疫情,我们现在应该已经回到国内,推广我们的技术了。” 刘明博士略显遗憾地说道。

上个月,刘明在英国利物浦的研究团队刚刚获得由 Nature Research 评选出的 “最佳技术转化奖”,他们的研究方向是通过设计一种叫做 “分子笼” 的新型多孔材料,来清除室内空气污染,尤其是令我们深恶痛绝的甲醛。

“这种材料所表现出的净化效果相当惊人,同等质量下对甲醛的吸附效果是常规活性炭的近 500 倍。”

刘明告诉 DeepTech,通过在分子级尺度上调控孔的大小和形状,并根据目标分子引入不同的化学官能团,“分子笼” 材料可以吸附任何常见的空气污染物。他也因此项技术获得了 2016 年英国皇家化学会(RSC)创新技术一等奖。

除了捕获空气污染物,“分子笼” 材料还可以被用于气体储存、精细化工分离、氢燃料电池中的质子交换膜,甚至还可以用来分离用于核聚变的燃料:氘和氚(两种氢的同位素)。

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图|通过 “分子陷阱” 捕获空气污染物。(来源:Nature)

源于一次偶然的实验

刘明长期从事功能超分子材料以及多孔材料领域的研究。在浙江大学获得博士学位后,刘明加入了英国利物浦大学材料创新工场主任安迪 · 库珀(Andy Cooper)教授(“分子笼” 材料领域的开创人)的课题组,从事博士后研究工作,如今他有了另外一个身份——新材料公司 CageCapture 的联合创始人兼首席技术官。

2014 年一次偶然的机会,刘明在实验室内受到启发,有了用 “分子笼” 材料清除甲醛污染的想法。“可能对于我们中国人来说,公众普遍比较关注甲醛污染,我以前在国内生活时,也有亲戚朋友问我,‘你是从事化学研究的,有没有一个特别好的东西可以处理甲醛污染?’”

当时,刘明正在做另外一项实验,他观察到一种 “分子笼” 材料可以在溶液环境下能迅速与甲醛溶液发生反应,“我就很好奇,在气体状态下可不可以发生同样效果的化学反应。” 通常在中间没有任何媒介的情况下,固体和气体直接发生反应是非常困难的。但经过反复验证和筛选后,刘明发现了一个与气态甲醛分子反应效果非常出色的 “分子笼”。

但是,他的这一想法一开始就在团队内部受到了很大的阻力。“因为英国民众对于甲醛污染的认知度还不高,没人认为这种材料具有很好的商业前景。” 直到 2016 年,英国民众开始更多地关注室内的空气污染,科学界也更多开始关注室内空气污染治理的研究,分子笼清除甲醛项目才开始真正受到重视和推动。凭借出色的甲醛清除效率,技术接连获得英国皇家化学会创新技术一等奖和 “创新英国”(Innovate UK)政府扶持基金支持,之后才有 CageCapture 的诞生。

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图|CageCapture 部分团队,中间为刘明。(来源:利物浦大学)

“公司是去年 9 月份注册的,12 月份才开始正式运营,目前还处于比较早期的阶段,由于团队的规模还比较小,其实我也在担任首席执行官的角色。”

刘明表示,尽管受新冠疫情的影响,CageCapture 的技术研究、产品研发进度和商业化推广受到了较大的影响,但他们专注的方向依然很明确,即进军室内空气净化市场。

他们首先瞄准的是室内甲醛污染,尤其在中国。

甲醛是一种无色的刺激性气体,是目前最常见的室内污染气体,对人的眼睛、鼻子等器官有刺激性作用,纤维板、三夹板、隔音板、保丽龙等数千种建筑材料中都含有甲醛。早在 2011 年,美国国家毒理学计划(National Toxicology Program)就将甲醛描述为 “已知的人类致癌物”,世界卫生组织(WHO)也将其定义为致癌和致畸型物质。当室内甲醛浓度达到 0.1 ppm 时,人在其中就会面临致病的风险,长期接触低剂量甲醛,可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽癌、结肠癌、脑瘤和细胞核基因突变等。

“当前,全球空气净化器的市场规模已高达近 20 亿美元。2016 年,我们委托一家咨询公司做了一份全球空气净化器的市场调研报告,其中一个重要信息是,全球 80% 的空气净化器消费市场在中国。可以说,中国市场的巨大需求几乎养活了欧美的空气净化器企业,比如瑞典的布鲁雅尔(Blueair)、英国的戴森(Dyson)、荷兰的飞利浦(Philips)和瑞士的 IQAir 等,这些公司针对中国市场专门推出了清除甲醛的空气净化产品,而国外市场还没有出现只用来清除甲醛的空气净化器。”

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图|空气净化器市场份额分析(来源:CageCapture)

一位来自欧洲知名空气净化器公司的中国工程师告诉刘明,他们公司在成立后的前 20 年,一直不温不火,但近 10 年来,由于中国市场需求的增长,公司很快就发展起来了。

如今,包括英国在内的欧美国家也更加关注室内的空气状况,特别是由于新冠疫情的暴发和蔓延,民众待在室内的时间也越来越长,媒体对室内空气污染的报道也越来越多。“但是,相比于中国市场,欧美的市场需求还是微不足道的。”

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亚洲网图|CageCapture 发展历史。(来源:CageCapture)

基于 “分子笼” 材料的优良的可调节性,通过几年的研发积累,刘明团队将这一单一应用场景技术做成了一个平台技术。

据刘明介绍,目前他们可以通过调控分子的大小、官能团和其他一些理化性质,来捕获不同的污染气体。比如,在中国和亚洲,民众都比较关注甲醛;但在英国和瑞典,民众可能会更关注氡气(氡气是除了吸烟之外引起肺癌的第二大诱因),以及吸烟产生的乙醛等有毒气体。他们可以做到因地制宜,拓宽应用场景。

“我们想把 CageCapture 作为一个平台技术,而不是单一技术,它有很大的潜能去处理不同污染物。” 刘明说。

此外,他们也正在和一些汽车厂商合作,研发符合不同空气质量标准的空气滤网,比如在法国市场,市场需要能同时控制六大标志性 VOCs(挥发性有机物)的滤网材料(甲醛也是其中之一);在日本,汽车厂商开始关注汽车内的二氧化碳浓度,在长时间封闭的汽车内,较高浓度的二氧化碳也会威胁到车内乘客的健康;对于远距离飞行的客机来说,也有同样的清除二氧化碳的需求,因此,他们最近也收到了一家飞机制造厂商的技术开发合作协议。

性能“秒杀” 活性炭

“目前这个市场良莠不齐,尽管出现了很多不同的概念,但真正有效果或完全无毒害的产品并不多。事实上,有些产品在去除甲醛的同时,还会产生其他有害气体或有害物,这就违背了空气污染治理的初衷。市场需要可以真正解决问题的技术。” 刘明说。

当前,市场上的解决方案大致上分为催化转化和活性炭材料吸附两种。前者是通过催化氧化的方式将甲醛转化为无害的二氧化碳和水;活性炭则通过物理吸附的方式达到清除效果。相比于市场上的现有解决方案,分子笼材料具有选择性好、加工性能优良和吸附效率高的优点。

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图|“分子笼” 材料的分子模型(来源:CageCapture)

亚洲网刘明表示,从技术上来讲,“分子笼” 材料的一个优势是它的选择性很好,通过特别设计的化学官能团,可以高效地选择性吸附甲醛分子。在有其他气体成分、污染气体存在的情况下,对甲醛的吸附效率也不会受到影响,这是目前其他技术方法很难做到的。比如,活性炭在湿度比较高的环境,实际上会优先吸附水,而不是优先吸附甲醛;而且在室内温度、湿度升高的情况下,会重新释放已经吸附的甲醛分子,造成 “二次污染”。

同时,由于 “分子笼” 材料是一种小的有机分子,与其他传统的多孔材料相比,它的溶解性更好,可以在很多不同的溶剂中溶解,甚至有些也可以在水中溶解,这就使得它在工业上具有很好的加工性,可以根据实际应用需求把 “分子笼” 材料加工成不同的物理形态,如加工成薄膜,与口罩吸附层材料混合编织,抑或添加到墙体涂料和油漆中。

另外,实验数据证明,分子笼材料有极高的吸附效率,其对甲醛的吸附效果为同等质量活性炭的 500 倍。在特定场景下,使用 “分子笼” 材料可以减少产品质量、节省更多空间。比如在汽车领域,相比于在汽车内装上带有几公斤活性炭的过滤网,同等吸附效果用 “分子笼” 材料仅需数克,更加轻便。而且,如果把过滤网和过滤设备做小后,还会减少空气净化器等设备产生的噪音,降低整体能量损耗。

不止于 “消灭”甲醛

除了吸附气体污染物之外,“分子笼” 材料在气体分离和储存方面具有很好的应用前景。比如,在化工领域,利用 “分子笼” 材料将二氧化碳从其与甲烷的混合气体中分离出来,以及对二甲苯异构体多的精细化工分离等,甚至是氢的同位素分离。

对此,刘明表示,公司成立不久,CageCapture 暂时不会迅速扩大应用场景,目前还是专注于室内空气净化这一应用方向。除了用在空气净化器中的过滤材料外,其他应用场景还包括如将分子笼材料直接与建筑材料混合,从源头上消除有害气体,以及应用于气体污染物的检测。

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亚洲网图|“分子笼” 材料的一些应用方向。(来源:CageCapture)

如今,刘明希望可以将 CageCapture 的技术和产品带回国内。“我们制备 ‘分子笼’ 材料的主要原材料都采购自国内,而且早在 2016 年,国内就有人对我们的这个想法感兴趣,因为甲醛污染问题关乎到每个人的身体健康。我认为 CageCapture 未来应该在中国。”

但刘明也表示,他们还有很长的一段路要走。由于疫情的原因,公司的工作计划被迫大幅延后,与汽车厂商等企业的潜在合作也受到了一些影响,实验室目前也没有完全开放,团队有望在七月底开始恢复正常的研发工作。

尽管受客观条件的限制,刘明团队已经将由 “分子笼” 材料制备的空气过滤网拿到汽车厂商、空气净化器生产商测试,结果显示,这种材料具有非常好的清洁效果,可以在 5 分钟内清除 82.7% 的甲醛,而且在暴露于空气中近两个月后,性能也没有下降。

亚洲网目前,CageCapture 实验室的产能仅为每月 5 公斤,但刘明团队正通过与英国国家先进制造中心( High Value Manufacturing Catapult,CPI)合作将其产能扩大 20 倍,从而让这一技术真正走出实验室。

亚洲网“来英国已经近十年了,总的来说,尽管英国这边环境舒适,生活压力小,目前有关空气污染治理新材料的研究也开始受到英国政府的大力支持和关注,但近年来愈发坚定了回国发展的想法。尤其是近期的中美贸易争端,希望自己未来能够有机会通过自己所学为祖国做贡献,助力祖国新材料的研发和商业转化发展。”

亚洲网采访的最后,刘明表示,尽管在英国做企业已有一段时间了,也接触并学习到了很多先进的商业、管理经验,但他对从事创造性的研究更有激情,更倾向回到国内高校或研究机构。当然,从另外一个角度看,有了出色的研究工作,再做进一步的技术转化和商业化,也不冲突。

关于受访者

刘明,2009 年获得浙江大学化学系博士。长期从事功能超分子以及多孔材料领域的研究,在有机多孔材料的设计合成以及应用方面取得了多项重要学术成果,在包括 Science、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society 等顶级期刊上发表论文 30 余篇。近年来,刘明的研究着重于功能导向的有机分子材料的合成及应用开发,在环境污染控制、清洁能源等功能材料领域取得多项具有应用潜力的创新性成果。其中高效清除甲醛的分子笼材料技术已展现了巨大的产业化价值,获得了 2016 年英国皇家化学会创新技术一等奖。刘明作为技术发明人创办了新材料公司 CageCapture,转化分子笼材料的相关应用成果,融得超过 50 万英镑的孵化基金。公司在 2019 年获得了 “创新英国”(Innovate UK)政府扶持基金支持,2020 年入选 Nature Research 的最佳技术转化奖(全球一共上榜 12 家公司)。

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