寇建超DeepTech 深科技

　　“如果沒有這場疫情，我們現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)回到國內(nèi)，推廣我們的技術(shù)了。”劉明博士略顯遺憾地說道。

上個(gè)月，劉明在英國利物浦的研究團(tuán)隊(duì)剛剛獲得由 Nature Research 評選出的 “最佳技術(shù)轉(zhuǎn)化獎(jiǎng)”，他們的研究方向是通過設(shè)計(jì)一種叫做 “分子籠” 的新型多孔材料，來清除室內(nèi)空氣污染，尤其是令我們深惡痛絕的甲醛。

　　“這種材料所表現(xiàn)出的凈化效果相當(dāng)驚人，同等質(zhì)量下對甲醛的吸附效果是常規(guī)活性炭的近 500 倍。”
劉明告訴 DeepTech，通過在分子級尺度上調(diào)控孔的大小和形狀，并根據(jù)目標(biāo)分子引入不同的化學(xué)官能團(tuán)，“分子籠” 材料可以吸附任何常見的空氣污染物。他也因此項(xiàng)技術(shù)獲得了 2016 年英國皇家化學(xué)會（RSC）創(chuàng)新技術(shù)一等獎(jiǎng)。

　　除了捕獲空氣污染物，“分子籠” 材料還可以被用于氣體儲存、精細(xì)化工分離、氫燃料電池中的質(zhì)子交換膜，甚至還可以用來分離用于核聚變的燃料：氘和氚（兩種氫的同位素）。

圖｜通過 “分子陷阱” 捕獲空氣污染物。（來源：Nature）

　　源于一次偶然的實(shí)驗(yàn)

　　劉明長期從事功能超分子材料以及多孔材料領(lǐng)域的研究。在浙江大學(xué)獲得博士學(xué)位后，劉明加入了英國利物浦大學(xué)材料創(chuàng)新工場主任安迪 · 庫珀（Andy Cooper）教授（“分子籠” 材料領(lǐng)域的開創(chuàng)人）的課題組，從事博士后研究工作，如今他有了另外一個(gè)身份——新材料公司 CageCapture 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官。

　　2014 年一次偶然的機(jī)會，劉明在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)受到啟發(fā)，有了用 “分子籠” 材料清除甲醛污染的想法。“可能對于我們中國人來說，公眾普遍比較關(guān)注甲醛污染，我以前在國內(nèi)生活時(shí)，也有親戚朋友問我，‘你是從事化學(xué)研究的，有沒有一個(gè)特別好的東西可以處理甲醛污染？’”

　　當(dāng)時(shí)，劉明正在做另外一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他觀察到一種 “分子籠” 材料可以在溶液環(huán)境下能迅速與甲醛溶液發(fā)生反應(yīng)，“我就很好奇，在氣體狀態(tài)下可不可以發(fā)生同樣效果的化學(xué)反應(yīng)。” 通常在中間沒有任何媒介的情況下，固體和氣體直接發(fā)生反應(yīng)是非常困難的。但經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證和篩選后，劉明發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與氣態(tài)甲醛分子反應(yīng)效果非常出色的 “分子籠”。

　　但是，他的這一想法一開始就在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部受到了很大的阻力。“因?yàn)橛癖妼τ诩兹┪廴镜恼J(rèn)知度還不高，沒人認(rèn)為這種材料具有很好的商業(yè)前景。” 直到 2016 年，英國民眾開始更多地關(guān)注室內(nèi)的空氣污染，科學(xué)界也更多開始關(guān)注室內(nèi)空氣污染治理的研究，分子籠清除甲醛項(xiàng)目才開始真正受到重視和推動。憑借出色的甲醛清除效率，技術(shù)接連獲得英國皇家化學(xué)會創(chuàng)新技術(shù)一等獎(jiǎng)和 “創(chuàng)新英國”（Innovate UK）政府扶持基金支持，之后才有 CageCapture 的誕生。

圖｜CageCapture 部分團(tuán)隊(duì)，中間為劉明。（來源：利物浦大學(xué)）

　　“公司是去年 9 月份注冊的，12 月份才開始正式運(yùn)營，目前還處于比較早期的階段，由于團(tuán)隊(duì)的規(guī)模還比較小，其實(shí)我也在擔(dān)任首席執(zhí)行官的角色。”

　　劉明表示，盡管受新冠疫情的影響，CageCapture 的技術(shù)研究、產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和商業(yè)化推廣受到了較大的影響，但他們專注的方向依然很明確，即進(jìn)軍室內(nèi)空氣凈化市場。

　　他們首先瞄準(zhǔn)的是室內(nèi)甲醛污染，尤其在中國。

　　甲醛是一種無色的刺激性氣體，是目前最常見的室內(nèi)污染氣體，對人的眼睛、鼻子等器官有刺激性作用，纖維板、三夾板、隔音板、保麗龍等數(shù)千種建筑材料中都含有甲醛。早在 2011 年，美國國家毒理學(xué)計(jì)劃（National Toxicology Program）就將甲醛描述為 “已知的人類致癌物”，世界衛(wèi)生組織（WHO）也將其定義為致癌和致畸型物質(zhì)。當(dāng)室內(nèi)甲醛濃度達(dá)到 0.1 ppm 時(shí)，人在其中就會面臨致病的風(fēng)險(xiǎn)，長期接觸低劑量甲醛，可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽癌、結(jié)腸癌、腦瘤和細(xì)胞核基因突變等。

　　“當(dāng)前，全球空氣凈化器的市場規(guī)模已高達(dá)近 20 億美元。2016 年，我們委托一家咨詢公司做了一份全球空氣凈化器的市場調(diào)研報(bào)告，其中一個(gè)重要信息是，全球 80% 的空氣凈化器消費(fèi)市場在中國。可以說，中國市場的巨大需求幾乎養(yǎng)活了歐美的空氣凈化器企業(yè)，比如瑞典的布魯雅爾（Blueair）、英國的戴森（Dyson）、荷蘭的飛利浦（Philips）和瑞士的 IQAir 等，這些公司針對中國市場專門推出了清除甲醛的空氣凈化產(chǎn)品，而國外市場還沒有出現(xiàn)只用來清除甲醛的空氣凈化器。”
圖｜空氣凈化器市場份額分析（來源：CageCapture）

　　一位來自歐洲知名空氣凈化器公司的中國工程師告訴劉明，他們公司在成立后的前 20 年，一直不溫不火，但近 10 年來，由于中國市場需求的增長，公司很快就發(fā)展起來了。

　　如今，包括英國在內(nèi)的歐美國家也更加關(guān)注室內(nèi)的空氣狀況，特別是由于新冠疫情的暴發(fā)和蔓延，民眾待在室內(nèi)的時(shí)間也越來越長，媒體對室內(nèi)空氣污染的報(bào)道也越來越多。“但是，相比于中國市場，歐美的市場需求還是微不足道的。”

圖｜CageCapture 發(fā)展歷史。（來源：CageCapture）

　　基于 “分子籠” 材料的優(yōu)良的可調(diào)節(jié)性，通過幾年的研發(fā)積累，劉明團(tuán)隊(duì)將這一單一應(yīng)用場景技術(shù)做成了一個(gè)平臺技術(shù)。

　　據(jù)劉明介紹，目前他們可以通過調(diào)控分子的大小、官能團(tuán)和其他一些理化性質(zhì)，來捕獲不同的污染氣體。比如，在中國和亞洲，民眾都比較關(guān)注甲醛；但在英國和瑞典，民眾可能會更關(guān)注氡氣（氡氣是除了吸煙之外引起肺癌的第二大誘因），以及吸煙產(chǎn)生的乙醛等有毒氣體。他們可以做到因地制宜，拓寬應(yīng)用場景。
“我們想把 CageCapture 作為一個(gè)平臺技術(shù)，而不是單一技術(shù)，它有很大的潛能去處理不同污染物。” 劉明說。

　　此外，他們也正在和一些汽車廠商合作，研發(fā)符合不同空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的空氣濾網(wǎng)，比如在法國市場，市場需要能同時(shí)控制六大標(biāo)志性 VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）的濾網(wǎng)材料（甲醛也是其中之一）；在日本，汽車廠商開始關(guān)注汽車內(nèi)的二氧化碳濃度，在長時(shí)間封閉的汽車內(nèi)，較高濃度的二氧化碳也會威脅到車內(nèi)乘客的健康；對于遠(yuǎn)距離飛行的客機(jī)來說，也有同樣的清除二氧化碳的需求，因此，他們最近也收到了一家飛機(jī)制造廠商的技術(shù)開發(fā)合作協(xié)議。

　　性能“秒殺” 活性炭

　　“目前這個(gè)市場良莠不齊，盡管出現(xiàn)了很多不同的概念，但真正有效果或完全無毒害的產(chǎn)品并不多。事實(shí)上，有些產(chǎn)品在去除甲醛的同時(shí)，還會產(chǎn)生其他有害氣體或有害物，這就違背了空氣污染治理的初衷。市場需要可以真正解決問題的技術(shù)。” 劉明說。

　　當(dāng)前，市場上的解決方案大致上分為催化轉(zhuǎn)化和活性炭材料吸附兩種。前者是通過催化氧化的方式將甲醛轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和水；活性炭則通過物理吸附的方式達(dá)到清除效果。相比于市場上的現(xiàn)有解決方案，分子籠材料具有選擇性好、加工性能優(yōu)良和吸附效率高的優(yōu)點(diǎn)。

圖｜“分子籠” 材料的分子模型（來源：CageCapture）

　　劉明表示，從技術(shù)上來講，“分子籠” 材料的一個(gè)優(yōu)勢是它的選擇性很好，通過特別設(shè)計(jì)的化學(xué)官能團(tuán)，可以高效地選擇性吸附甲醛分子。在有其他氣體成分、污染氣體存在的情況下，對甲醛的吸附效率也不會受到影響，這是目前其他技術(shù)方法很難做到的。比如，活性炭在濕度比較高的環(huán)境，實(shí)際上會優(yōu)先吸附水，而不是優(yōu)先吸附甲醛；而且在室內(nèi)溫度、濕度升高的情況下，會重新釋放已經(jīng)吸附的甲醛分子，造成 “二次污染”。

　　同時(shí)，由于 “分子籠” 材料是一種小的有機(jī)分子，與其他傳統(tǒng)的多孔材料相比，它的溶解性更好，可以在很多不同的溶劑中溶解，甚至有些也可以在水中溶解，這就使得它在工業(yè)上具有很好的加工性，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求把 “分子籠” 材料加工成不同的物理形態(tài)，如加工成薄膜，與口罩吸附層材料混合編織，抑或添加到墻體涂料和油漆中。

　　另外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，分子籠材料有極高的吸附效率，其對甲醛的吸附效果為同等質(zhì)量活性炭的 500 倍。在特定場景下，使用 “分子籠” 材料可以減少產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省更多空間。比如在汽車領(lǐng)域，相比于在汽車內(nèi)裝上帶有幾公斤活性炭的過濾網(wǎng)，同等吸附效果用 “分子籠” 材料僅需數(shù)克，更加輕便。而且，如果把過濾網(wǎng)和過濾設(shè)備做小后，還會減少空氣凈化器等設(shè)備產(chǎn)生的噪音，降低整體能量損耗。

　　不止于 “消滅”甲醛

　　除了吸附氣體污染物之外，“分子籠” 材料在氣體分離和儲存方面具有很好的應(yīng)用前景。比如，在化工領(lǐng)域，利用 “分子籠” 材料將二氧化碳從其與甲烷的混合氣體中分離出來，以及對二甲苯異構(gòu)體多的精細(xì)化工分離等，甚至是氫的同位素分離。

　　對此，劉明表示，公司成立不久，CageCapture 暫時(shí)不會迅速擴(kuò)大應(yīng)用場景，目前還是專注于室內(nèi)空氣凈化這一應(yīng)用方向。除了用在空氣凈化器中的過濾材料外，其他應(yīng)用場景還包括如將分子籠材料直接與建筑材料混合，從源頭上消除有害氣體，以及應(yīng)用于氣體污染物的檢測。
圖｜“分子籠” 材料的一些應(yīng)用方向。（來源：CageCapture）

　　如今，劉明希望可以將 CageCapture 的技術(shù)和產(chǎn)品帶回國內(nèi)。“我們制備 ‘分子籠’ 材料的主要原材料都采購自國內(nèi)，而且早在 2016 年，國內(nèi)就有人對我們的這個(gè)想法感興趣，因?yàn)榧兹┪廴締栴}關(guān)乎到每個(gè)人的身體健康。我認(rèn)為 CageCapture 未來應(yīng)該在中國。”

　　但劉明也表示，他們還有很長的一段路要走。由于疫情的原因，公司的工作計(jì)劃被迫大幅延后，與汽車廠商等企業(yè)的潛在合作也受到了一些影響，實(shí)驗(yàn)室目前也沒有完全開放，團(tuán)隊(duì)有望在七月底開始恢復(fù)正常的研發(fā)工作。

　　盡管受客觀條件的限制，劉明團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將由 “分子籠” 材料制備的空氣過濾網(wǎng)拿到汽車廠商、空氣凈化器生產(chǎn)商測試，結(jié)果顯示，這種材料具有非常好的清潔效果，可以在 5 分鐘內(nèi)清除 82.7% 的甲醛，而且在暴露于空氣中近兩個(gè)月后，性能也沒有下降。

　　目前，CageCapture 實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)能僅為每月 5 公斤，但劉明團(tuán)隊(duì)正通過與英國國家先進(jìn)制造中心（ High Value Manufacturing Catapult，CPI）合作將其產(chǎn)能擴(kuò)大 20 倍，從而讓這一技術(shù)真正走出實(shí)驗(yàn)室。

　　“來英國已經(jīng)近十年了，總的來說，盡管英國這邊環(huán)境舒適，生活壓力小，目前有關(guān)空氣污染治理新材料的研究也開始受到英國政府的大力支持和關(guān)注，但近年來愈發(fā)堅(jiān)定了回國發(fā)展的想法。尤其是近期的中美貿(mào)易爭端，希望自己未來能夠有機(jī)會通過自己所學(xué)為祖國做貢獻(xiàn)，助力祖國新材料的研發(fā)和商業(yè)轉(zhuǎn)化發(fā)展。”

　　采訪的最后，劉明表示，盡管在英國做企業(yè)已有一段時(shí)間了，也接觸并學(xué)習(xí)到了很多先進(jìn)的商業(yè)、管理經(jīng)驗(yàn)，但他對從事創(chuàng)造性的研究更有激情，更傾向回到國內(nèi)高校或研究機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，從另外一個(gè)角度看，有了出色的研究工作，再做進(jìn)一步的技術(shù)轉(zhuǎn)化和商業(yè)化，也不沖突。

　　-End-

　　關(guān)于受訪者

　　劉明，2009 年獲得浙江大學(xué)化學(xué)系博士。長期從事功能超分子以及多孔材料領(lǐng)域的研究，在有機(jī)多孔材料的設(shè)計(jì)合成以及應(yīng)用方面取得了多項(xiàng)重要學(xué)術(shù)成果，在包括Science、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society等頂級期刊上發(fā)表論文 30 余篇。近年來，劉明的研究著重于功能導(dǎo)向的有機(jī)分子材料的合成及應(yīng)用開發(fā)，在環(huán)境污染控制、清潔能源等功能材料領(lǐng)域取得多項(xiàng)具有應(yīng)用潛力的創(chuàng)新性成果。其中高效清除甲醛的分子籠材料技術(shù)已展現(xiàn)了巨大的產(chǎn)業(yè)化價(jià)值，獲得了 2016 年英國皇家化學(xué)會創(chuàng)新技術(shù)一等獎(jiǎng)。劉明作為技術(shù)發(fā)明人創(chuàng)辦了新材料公司 CageCapture，轉(zhuǎn)化分子籠材料的相關(guān)應(yīng)用成果，融得超過 50 萬英鎊的孵化基金。公司在 2019 年獲得了 “創(chuàng)新英國”（Innovate UK）政府扶持基金支持，2020 年入選 Nature Research 的最佳技術(shù)轉(zhuǎn)化獎(jiǎng)（全球一共上榜 12 家公司）。
-End-

　　參考：https://www.nature.com/articles/d41586-020-01797-5

　　https://cagecapture.com/

　　https://news.liverpool.ac.uk/2020/07/01/cagecapture-shortlisted-for-new-nature-spinoff-prize/

　　https://science.sciencemag.org/content/366/6465/613.editor-summary

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的中国学者意外发现甲醛“克星”，吸附性能高出活性炭近500倍的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。