唐军旺：当“热爱”成为源动力，你就能找到自己的方向

唐军旺

Junwang Tang

清华大学化工系工业催化中心创建主任、清华首位碳中和讲席教授、博士生导师

2001 年在中科院大连化学物理研究所获得博士学位，之后分别在日本国家材料研究所和英国帝国理工等担任 JSPS 研究员和高级研究员，2009 年- 2022 年一直在英国伦敦大学学院开展工作，曾担任教授、太阳能和先进材料研究组（Solar Energy & Advanced Materials Research Group）组长、UCL 材料中心（UCL Materials Hub）主任等。研究兴趣包括光催化小分子活化（水分解制氢，二氧化碳转化，合成氨和甲烷转化）和微波催化（塑料的化学循环利用），以及利用先进光谱学进行电荷动力学研究，同时设计相应的化学反应系统。已在国际知名期刊发表文章 230 余篇。获得多个国际奖项和荣誉称号，同时担任多个国际杂志的副主编和编委。因在用于清洁和可再生燃料合成的高效光催化剂开发方面的杰出工作而成为首位荣获 2021 “RSC Corday-Morgan Prize” 的华人获奖者。

Q：请您介绍一下课题组的主要研究方向和相关成果？

A：我的研究方向主要包括耦合光催化和热催化来活化小分子（H₂O， N₂、CH₄， CO₂）来制备低碳能源（H₂， NH₃）以及化学品（C₂+烯烃和醇），同时也从事微波催化（塑料固废的催化转化）。机理研究方面，催化剂中电荷的动力学光谱研究是我的特色。迄今已经在 Nature Catalysis，Nature Materials, Nature Review Materials, Nature Energy, Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Nature Communications, Energy Environ. Sci., Angew. Chem.Int. Ed, Adv. Mater. 等能源和化学领域顶级期刊共发表了大约 230 篇文章， 总引用次数 >23000 次。

迄今为止，我团队的主要工作和成果包括：

i) 首次在实验上证明了在室温下利用温和光源（模拟的太阳光）驱动 CH₄ 高选择性定向活化的可能性，在常温常压条件下利用单原子 Fe 和 Fe clusters /TiO₂，实现了甲烷一步制备甲醇，选择性超过 90%，甲烷转化率接近 15%（Nature Catalysis, 2018)；

ii) 在催化制氢方面，开发了目前最稳定高效的水制氢催化剂之一（Angew. Chem. Int. Ed., 2014），并进一步通过模拟自然界的光合作用，利用Z-Scheme组建了新的反应系统，国际上首次报道有机半导体驱动的在酸性或者碱性条件下可见光纯水分解制氢（J. Am. Chem. Soc., 2014）。最近进一步实现了通过单原子和纳米颗粒的协同，在甲醇和水制备氢气中获得了接近 100% 量子收率，同时几乎不产生二氧化碳和一氧化碳（Nature Materials, 2023） ；

iii) 进一步利用碳参杂的氧化钛，实现了将氢气存储在 NH₃ 中，提出产氢同时储氢的可行性（Adv. Mater., 2022）；

iv) 在微波制备催化剂和高级材料的研究中，利用微波化学制备了特殊的碳量子点，其负载在氮化碳上实现了在室温下将二氧化碳光催化转化为甲醇，选择性接近 100%，目前仍是最高的效率（Nature Commun., 2020, 11, 2531）；

v) 将微波技术和流动反应器耦合，首次制备出了高质量、低成本批量生产的石墨烯，实现了 1-2 层石墨烯在微波条件下 10 秒的生成；

vi) 最近，我们利用微波催化技术实现了塑料固体废物（PE, PET, PP）的高价值转化，能够将固废聚合物转变为其单体原料或者基础润滑油等化学品。

▲ Fig.1. 主要研究兴趣及方向

Q：在您发表过的学术成果中，您最引以为傲的研究成果是什么？

A：有两个成果我觉得对本学科有贡献：

I) 机理方面：过去 15 年间，我利用自己搭建的激光瞬态吸收谱平台进行了光催化机理方面的研究；利用低能激光诱导的高灵敏度的纳秒到秒级的瞬态吸收谱研究了系列无机半导体电极（包括TiO₂, N-TiO₂, Fe₂O₃）的人工光合作用的动力学机制；首次解析了无机半导体催化剂光解水制氢的关键动力学图谱,得出了氧气的生成速度比氢气要慢了接近 5 个数量级的重要结论。系列成果分别发表在 J. Am. Chem. Soc. 2008, 130，13885-13891 （到目前为止引用～1000 次); PCCP 2016; Energy Environ. Sci. 2012; J. Am. Chem. Soc. 2017; ACS. Catal. 2021; Chem. Soc. Rev. 2022 等期刊上。同时给出了在人工合成的无机材料中一个氧分子的合成需要 4 个空穴的初步实验证据，与文献报道的自然光合作用相一致。结合其它课题组的报道，进一步绘制了太阳能制氢的动力学图谱。

II) 高效和稳定的催化剂开发：关于单原子光催化活性和稳定性的平衡是个挑战。我们发现单原子 Cu 制备氢气的活性很高，但是稳定性函待提高。通过设计单原子 Cu 和纳米 Pt 颗粒的协同作用，在光催化甲醇水溶液制备氢气上，实现了接近 100% 量子收率，同时几乎不产生二氧化碳和一氧化碳，给高效的绿氢制备提供了有价值的路径 （Nature Materials 2023)。

Q：您的研究对于应对日益加剧的能源危机和环境问题具有重大的意义，未来会考虑开展更多转化与应用方面的研究工作吗？

A：我的研究始终着眼于应对日益加剧的能源危机和环境问题：光和热耦合催化小分子转化可以克服热催化和光催化各自的缺点，另外微波催化以及相关的机理研究都是期望利用可再生能源和增加碳循环，减少工业生产中的能耗与“碳足迹”，为人类生活提供清洁能源，并在此过程中进一步缓解已经存在的环境问题。未来这样的着眼点依然是我基础研究的重要导向。同时，基于过去 20 多年来的基础研究成果，向应用方面的转化将会是我承担的另一个挑战。目前我们已经将高效、绿色生产高质量石墨烯的微波技术产业化了。同时我们和国内的企业（比如中石化，延长石油集团等）以及国际企业（德国 BASF 和马来西亚石油公司等）在共同研究将甲烷转化和合成氨技术小试和放大的路线。未来废弃聚合物微波催化循环也是一个我的应用重点。

Q：学生眼中您是一位怎样的导师？您对学生的要求和标准是什么？

A：学生眼中的我可能大部分时候都比较随和亲切，我很喜欢与他们平等交流。每周组会后，我经常会和学生一起去喝点茶或啤酒，谈论他们科研内外的想法与兴趣，鼓励他们拓宽知识面，找到突破点。当然，遇到原则性问题，比如实验的严谨性，我会非常认真和严厉。

关于对学生的要求，我想引用中国最古老的典籍《周易》中的一句话，仰观天象，俯察地理。我想其至少包括了三层含义：第一是诚实和唯物的态度，《周易》中的大多现象都是通过观察自然界得到的，绝对的唯物而不能唯心，这是科研的基石；第二是希望学生有耐心，能够坐冷板凳，而且不轻言放弃，正如《周易》中的自然现象都是长年累月观测才能总结到的，不是短平快能够发现的；第三是希望他们思路要开阔，善于学习，不要闭门造车或者将头埋进沙子里，不能向上看也不会向下学习。因此我比较喜欢善于独立思考、思路活跃、经常提问并与老师勤交流的学生。我希望他们在读文献时不光能看到创新点，而且能发现文章的缺点，锻炼自己的批判性思维。此外，我希望他们热爱科研，在内心深处有着追寻真理的激情，好的工作是需要时间积累的，重视研究的质量而不是数量，只有发自内心的热爱才是长期坚持的源动力。

Q: 您在英国开展了多年的独立科研工作，在学生培养方面，您觉得中英最大的差异是什么？有哪些方面值得我们学习和借鉴？

A：我认为在学生培养方面最大的差异是英国更偏重于兴趣导向，国内更偏向于目标导向；英国对科研的评判更重视质量（这必然会限制数量），而国内要求质量和数量都要兼顾。偏重于兴趣导向时，学生科研的热情可能会更持久，注意力更加集中，更容易会全身心长期投入。这些不但需要学生对科研的热情，也需要导师合理地引导，并在恰当的时候提供全力地支持和鼓励，以防学生气馁或误入歧道。同时导师要引导学生注意研究的创新性和可重复性，降低数量而更重视质量。偏重于目标导向时，学生对自己研究的目标会更清晰，阅读文献、开展实验会更有方向性，实验技能、基础知识方面更扎实，发表文章更快；但有可能局限了知识面，不能很好地提出原创性问题。所以，建立更浓厚的科研热情，锻炼批判性思维能力，减少发表文章的数量都是我们需要学习和借鉴的地方。

Q: 祝贺您近期从伦敦大学学院全职加入清华大学！能否和大家分享一下您加入清华大学的初衷或期望？

A：谢谢！很荣幸加入清华大学，并成为清华大学化工系工业催化中心创建主任。

在海外做了20多年的基础科研，为技术的转化做好了铺垫和积累。为祖国的科学和低碳能源事业贡献自己的力量是我一直以来的心愿，国内日新月异的发展也为科研的成果转化实现提供了绝佳的环境和基础。特别对我来说，回国报效祖国是更强劲的源动力，包括教学和科研。因此当清华大学化工系提出邀请后，我几乎没有迟疑就愉快地接受了。我英国大学UCL的前任系主任和现任系主任听到我回国的打算后，和我畅谈，对我许诺了很多以便留住我，因为我的离开就意味着系里将失去这个很热门的低碳能源研究方向。而且我个人也要放弃很多，要放弃作为总负责人刚刚申请成功的420万欧元项目，放弃在英国多年建立的大的课题组和研究网络，放弃英国舒适的生活环境和许多私人关系、甚至一些朋友。但是对我来说，报效祖国是一个长期的梦想，现在可以圆梦了！我因此立即写了书面离职申请，同时做了工作的交接安排，将几个大项目、课题组博士后及博士分别转给了几位同事。当然，和家人也做了很多讨论，毕竟孩子们在英国生的，也在英国上中学，汉语也不好，回国上学会很难适应。不过，最后家里人也都全力支持我加入清华大学，助我圆梦！

清华大学有国内最有创造力和才华的年轻人，我期望和他们一起，通过优化反应器设计、耦合多种催化过程和综合考虑反应中的热管理，进而实现热催化和光催化耦合在工业界的应用，使我国在降低生产能耗、缓解环境污染、生产绿色能源等方面走在世界前列；同时利用原位多光谱技术耦合，对催化小分子转化机理有一个更深入地认识，对整个催化学术界做出中国人的特殊贡献。

Q: 您获得过多项国际大奖，包括作为 RSC Corday-Morgan Prize（2021）首位亚裔获奖者，您觉得国内科学家们如何能够更好地在国际舞台上展示成果和开展合作？

A：首先是要积极参加各种学术会议，并提高在会议中介绍自己工作的能力和自信心——这是科研工作者的基本技能，也是成为优秀科学家的必经之路。通过报告自己的工作，可以让同行看到并对潜在的问题提出宝贵意见。另一建议是我们要合理看待别人的意见，只有能接受别人的批评与建议的学者才能取得更大的进步。第三，要敢于向困难和冷门的问题进发，有长期攻坚克难的想法和决心，这样才能逐步建立自己的影响力。不要追逐热点，老是跟在别人后面抬轿。第四，在发表文章时，要清晰、详细地给出文章的相关信息，比如重复性和误差。这样才能方便别人学习，开展更广泛的合作，也才能真正实现分享有价值的科研成果。

▲ Fig.2. 唐军旺教授获得 2021 年 “RSC Corday-Morgan Prize”

https://www.rsc.org/prizes-funding/prizes/2021-winners/professor-junwang-tang/ 

英国皇家化学会作为历史最悠久的化学学术团体，一直致力于推动化学科学的卓越发展。为了进一步加强与中国化学及相关领域知名学者的互动，“RSC 英国皇家化学会”微信公众号特推出《RSC 导师零距离》栏目，希望借此栏目分享导师科研道路上的宝贵经验和经历、促进最新科研成果的推广和学术交流，并帮助愿意投身化学科研的学生更好地了解导师们的风采。

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