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北理工研发出净化空气新材料,PM2.5滤除率超99%,真的吗?
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来源:上观新闻 作者:李钰 2017-02-14 22:26
摘要:北理工教授王博率领的团队研发出一种净化空气新材料,是第二代金属有机框架材料(简称MOF),其PM2.5滤除率超过99%。这一新闻报道后引起广泛关注,一些人对99%的滤除率有点不敢相信。王博长期从事MOF研究,他率领团队研发出第二代MOF的核心技术有二,一是把MOF做成了膜,二是能吸附并降解有害组分。这种膜将来可以制成各种滤芯,去匹配不同工业产品,比如空气净化器、中央空调、车载空调、新风系统。针对PM2.5滤除率超过99%,王博表示,这个数字是实验室测出来的,是5年以内的重复实验得出的结论。

 

本月初,一则“北理工教授研发出净化空气新材料,PM2.5滤除率超99%”的新闻被各大媒体争相报道,引起广泛关注。大家在为中国科学家点赞之余,一些人提出质疑:滤除率真能达到99%这么高吗?还有人想了解,这项科研成果能不能尽快应用在生产生活中?量产的难度大吗?

这一净化空气新材料——第二代MOF的研发领军人物是北京理工大学教授、博士生导师王博。王博生于1982年,高考免试进入北大,大学毕业后赴美留学,获得密歇根大学硕士学位和加州大学博士学位。他长期从事金属有机框架材料(简称MOF)研究,回国后在北京理工大学化学学院从事科研工作,曾获中国化学会青年化学奖和国家杰出青年基金,入选科技部“科技创新领军人才”。昨天,在北理工良乡校区的化学学院,王博教授接受了解放日报·上观新闻等几家媒体采访,他的科研团队也在学院又一次进行了滤除率测试。通过观看实验和采访,MOF的工作原理和相关情况逐渐浮出水面。以下为王博教授与上观等媒体的对话。

 

MOF是块能吸附各种有害物质的“海绵”

问:能不能通俗地解释一下MOF是什么?

王博:MOF的全称是Metal-Organic Framework, 金属有机框架材料。你可以理解为常见的一种金属氧化物,比如防晒霜里的成分氧化锌和塑料水瓶的成分对苯二甲酸,这两种都是特别简单的东西,一种硬一种软,结合起来就是MOF的一种。

MOF最大的特点就是表面孔特别多,甚至可以调控到零点几纳米一个孔,里面的孔如果全部把它剖开,1克的材料能铺展8000㎡,能覆盖一整个足球场。因此MOF是现在已知材料里表面积最高的一种。表面积高意味着它能吸附各种各样的气体和液体,有人就把它叫做“分子海绵”。

我们知道,防毒面具或者口罩要想生效,必须材料的密度非常密,阻隔空气中的有害分子。最极端的情况,我们拿一张纸糊在嘴上,PM2.5肯定过不来,但同时空气也过不来。工业条件下也是一样,不过风是没有意义的,废气排不出来。MOF的意义就在于,在最低气阻条件下,防止有害气体通过。最低气阻的意思就是能过风,如同戴口罩的时候呼吸顺畅。

问:请简单介绍一下MOF的研发历程?

王博:这个经历比较复杂。最早做这个材料的时候,我是在美国密歇根大学跟着我的导师Omar M. Yaghi教授做的,他是开拓金属有机骨架化合物材料这个领域的先驱者,我们去帮他做第二代。第一代MOF现在已经工业化量产了,用来储存氢气和天然气,这个领域在使用MOF之前储存量是减半的。

2004年,我去美国之后开始着手研究第二代MOF。导师对我提出的要求是,你能不能用它吸附出空气中的有毒有害气体,比如当时的目标二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物,这个难度更大,因为空气中大量的气体分子是正常的分子,二氧化碳的浓度只有百分之零点几,而硫的浓度是百万分之一,怎么能从一堆气体里面把我们要的分子抓出来,这个就是难点。

我们一是通过孔来筛选,比孔大的分子进不来,和孔的形状不一样的分子也进不来。第二个办法是,孔道内修饰一些不同的集团。举个最简单的例子,PM2.5是中性偏酸的,集团内部偏碱一点,酸碱一中和,吸附能力就很强,这叫做“特异性吸附”。这两点作用实现以后,我们就掌握了空气中有毒有害阻分的吸附。

但是MOF的原本状态是粉末状的,有害气体会来不及被MOF吸附,就透过颗粒之间的空隙快速地被人体吸过去。因此,从空气中吸附有害气体,要求这个材料具有一定的厚度,然后我就把MOF做成了膜。制成膜之后,我们就可以用以前100克的材料做现在20克能做的事,也可以制成各种各样的滤芯,去匹配不同的工业产品,比如空气净化器、中央空调、车载空调、新风系统。

 

回国5年半研究出MOF制成薄膜特殊工艺

问:您将粉末状的MOF制成薄膜的特殊工艺是什么?

王博:第二代的MOF薄膜材料又叫MOFilter,是通过结构和组分调控,采用原位生长工艺,精准控制表界面结构,实现具有丰富表面电荷,酸或碱性基团,金属氧化物催化位点的,具有极高稳定性、机械强度的柔性膜。

通俗来解释,首先,MOF是怎么长出这种粉末状的物质的?表面上看是粉末状,其实微观上是一个网织出来的高分子。如果我们要把它做到纱窗上,纱窗上的某些组分是可以和MOF的组分反应的,那么我的方法就是,先让MOF的原料和纱窗反应,结成一层东西,再把MOF长上去,这就形成一层非常牢固的膜,这层膜拿砂纸去打磨都不会掉。这项工艺从我回国开始,一直研究了5年半的时间。

问:这项工艺有名称吗?

王博:有的,我们称之为hop法,你也可以理解为“跳来跳去”。国外学术圈已经在引用这种方法了。

王博教授现场做起实验,图中右侧是用檀香焚烧模拟雾霾环境,左侧是一个模拟房间,两间“房”中间安装了MOF薄膜。实验开始2分钟后,两间房的空气质量对比用肉眼就可辨别。

 

MOF不仅阻隔有害物,还降解有害物

问:目前市面上的防霾口罩大多数是使用聚丙烯超细纤维或者过氯乙烯超细纤维的材料,如果用MOF材料制成口罩,二者的区别在哪里?

王博:前者通过惯性撞击和拦截作用实现对污染颗粒的过滤,后者通过吸附污染物颗粒来实现过滤。举个简单的例子,最早我们在拿MOF吸附有害成分的时候,有学生过来问我说,老师,别人的碳材料、石墨材料要吸附很长时间才能把甲醛吸附掉,需要一两个小时,咱们的材料一放进去甲醛就没了。我们很纳闷,怎么会没了呢。我就对学生说,你给他加热、抽真空,有害物肯定在孔里,结果还是没有。后来我们接了后端精确的质谱检测,分析出来发现甲醛被分解成二氧化碳和水了。

因为我是做材料出身的,不是做环境出身的,我就去咨询了环境领域的科研人员,他们跟我解释说,实际上MOF这种分解作用是一个光催化的过程。于是我让学生把MOF拿到暗室中去实验,此时发现MOF只有吸附能力,没有降解能力。因此我们得出了结论,MOF是先把有害物质吸附进去,然后在光照条件下缓慢地分解它,内部就像一个小工厂一样运行,这是MOF相较于其他材料的独特之处。

问:那如果在阴雨条件下,MOF怎么起作用?

王博:所以我们在空气净化器内部加入一小圈灯珠,能耗也很低,这个实现起来很简单的。

 

99%的滤除率是真实环境下反复实验得出的

问:媒体报道说MOF材料在北理工实验中的滤除率是99.5%,真有这么高吗?

王博:99%这个数字是测出来的,5年以内的重复实验得出的。PM2.5是不是一个稳态的物质?每天每时都不一样,组分也在变。所以我们的实验分为两部分,一方面是稳态条件下的测试,拿香烟模拟雾霾,因为目前我国空气净化器厂商的检测标准多是拿香烟模拟测试,但是香烟检测最大的问题是烧的太快,就必须不停地往里续香烟。后来我们学习国外大气治理研究中的一个方法,就是用檀香。即便这样做,模拟出的环境仍然不是最真实的。

因此我们做的第二部分实验就是,每当雾霾天来临,我们就用管式风扇从外面抽风进来,中间放一层膜,就这样连续测。所以,在过去的两三年里,我的学生经常表现出的状态是:“太好了,雾霾来了,又可以做实验了”,或者是“糟糕,风来了,这次实验又做不完了”。这种实验实际上是从源头出发,测出的结果还是接近真实环境的。

实验开始前,空气测试仪上的PM2.5指数为2426,显示“严重污染”。

实验进行3分钟后,空气测试仪上的PM2.5指数降为4,显示“优”。

 

问:目前在世界同行中,您研发这个新材料是最前端的吗?

王博:应该是的。因为MOF是我导师开创的,如果说MOF领先,那应该是以我导师为代表的老一辈科研工作者走在最前沿,他们中有国内的(科学家),也有日本、法国的(科学家)。我自己的贡献应该就是:一,把MOF做成膜;二,吸附并降解有害组分。这是我的核心技术,是别人不具备的。

问:您这个技术在国内的受重视程度如何?

王博:国家对此还是相当重视的。2015年我拿了中国化学会青年化学奖,2016年我入选了“国家杰出青年基金”,然后今年又入选了科技部“科技创新领军人才”。再加上我的一些科研项目,有科技部的973计划、自然会基金委等各方面的支持。其实这些都是一个过程,MOF之所以在五年前没有新闻报道过,就是因为我们一直在做大量的重复测试,这几年才开始与业界联系生产、在学界发表文章等等,这才引起了大家的关注。

 

第二代MOF的成本“是家庭可以承受的价格”

问:MOF技术得到社会的热烈反响,大家更关心的问题是,该种材料的成本如何?能规模化生产吗?

王博:投入规模化生产,要克服的很大一个难关就是,如何把实验室中这种不计成本的研究变成大规模的生产,当时我们觉得成本是可控的。但是,把能耗等各种乱七八糟的生产成本计算进去之后,按照我的配方生产出来的产品价格比黄金还贵好几倍。后来,通过工程师的大量努力,把第一代MOF的成本降低到2欧元1公斤,就让它成为了一种可以大量使用的材料。回国之后,我就在考虑,既然大工业材料的成本能够实现可控,那么精细的材料也是可以做到的。

问:那第二代MOF的成本是多少?

王博:这个数字目前不方便透露,因为已经与厂商合作开始着手生产了,应该说,是家庭可以承受的价格。

问:第二代MOF的成本采取了哪些措施来降低,这个可以透露吗?

王博:经过团队这么多年的开发,我们针对不同的领域采取了不同的措施。工业方面用材其实更考虑的是性价比,比如印染业、喷漆业,它们的有害物挥发特别复杂,只能靠这种材料来解决,因此对成本就不是特别敏感。但对于家用的情况,污染物相对单一,成本就相对低很多。因此,我们团队有这么一个群组方案,针对不同需求,膜的体系不一、厚薄不一、精细度不一,成本也就不一样。所以就不能说这个东西一定很贵,或者一定很便宜。

 

带MOF滤芯的空气净化器可能较早面世

问:什么时候可以实现MOF产品的大规模生产?

王博:大规模生产取决于市场需求的量。有些商业条款我不方便透露,目前还在和厂商伙伴谈合作,所以现在还不能正式公开。MOF膜是我们的产品,但是到时候市场上见到的产品肯定是在厂商加工之后的空气净化机、新风机等等,这些外部的制作跟我是没关系的,所以我也不能预计出产品面市的时间。

问:您在选择合作厂商的时候,会考虑哪些条件?

王博:几层考虑。一是它自身的规模要足够大;第二我不希望他们跟我签独家条款;第三,我希望这个厂家的信誉度好一点,对于产品不能夸张宣传,因为任何材料都不能包治百病,只能说是在性价比相对合适的条件下选择某个产品。如果某个厂家在宣传上缺乏底线,那对我们团队的学术声誉也是有影响的。

问:能让老百姓用上带MOF薄膜的口罩吗?

王博:最快4月份市场上可能会出现带MOF薄膜的空气净化器,但是这个具体时间还是依照厂商的进度来定的。口罩的话,其实我不太想在早期就投入生产,因为做口罩中间有很多问题要一一去克服,比如口罩的规格、材料,这些因素对口罩的防霾效果影响很大,很可能会对MOF薄膜的效果产生反作用。术业有专攻,我们找的是行业内做空气净化产品最专业的人,自己这边还是专心做膜,大家分工合作。

 

面对雾霾,需治理和防控两手抓

问:您从2008年开始转向企业界的,为什么?

王博:第二代MOF的研究过程中,我在Nature上发表了一篇文章、Science上发表了两篇文章,当时在社会上引起了不小的轰动。纽约时报、洛杉矶时报和BBC在2008年的时候都采访过我。当时我已经决定去学术圈了,但是我导师问了我一个问题——“你觉得有多少人看你的文章?”

他说,读了你文章标题的可能有十几万人,接着看完摘要的可能有几万人,再去看文章的可能只有几千人。几千人中可能只有几百人能学到点什么东西,你对社会的影响可能只有这几百人。他建议我把实验室中的小研究变成能够量产的产品,让人们的生活得到些许改善。然后我就去了企业界。

问:MOF的发现将近20年了,您是怎么想到把MOF这种材料应用到过滤空气上的?

王博:当时决定回国之后,就拖家带口地回来了。让孩子在环境不太好的条件下成长,我心里有时是不舒服的,然后就考虑自己有没有条件解决这个问题。最早我想PM2.5这个问题很好解决啊,“布”织密一点就完了,用不上MOF。后来发现MOF的作用十分明显,一层纱窗对有害气体的阻隔作用是10%,让MOF在上面长50纳米的一层,就可以阻隔60%—70%。然后我就开始研究,到底是什么在起作用,通过调控,后来就形成了这种99%以上的阻隔作用。

问:您现在做的研究是防控雾霾方面的,现在有一种声音是“治理雾霾比防控雾霾重要”,您怎么看?

王博:首先,现在我们已经与环保部门合作,打算在一些地方进行样板工程的试点,从源头上治理。其次,任何国家在发展过程中都会经历这样一个“阵痛期”,环境污染严重,治理效果不突出。所以我们只能说,一边治理源头,但是这个治理的过程很漫长很痛苦,在这期间我们还是要经受雾霾的侵扰,所以在这个过程,加强防控也是必要的,这是现阶段研究MOF的意义。

 

题图为王博教授在实验室中向记者展示材料。图片来源:李钰 摄  图片编辑:笪曦

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