赵慎龙（右）展示电极材料。
■本报记者 张双虎
“再过两个月，我们就把这个‘集装箱’送到国家工程中心（先进储能材料国家工程研究中心），帮他们完成二氧化碳转化。”近日，在接受采访时，国家纳米科学中心研究员赵慎龙告诉《中国科学报》，“我们一边和化工企业、零碳园区合作进行成果转化，一边孵化一些科技公司，将二氧化碳利用起来，助力实现‘双碳’目标。”
赵慎龙提到的“集装箱”是团队研发的一种负碳（二氧化碳循环、消纳）装置。1台功率10千瓦的负碳装置体积约1立方米，每年可以消纳20吨二氧化碳。从萌生想法到电极材料开发及阐明机理、实验验证，再到小试、中试放大，直到形成这台负碳装置，赵慎龙团队花了近10年时间。
有趣的是，这个从基础研究到转化落地的探索历程，竟始于一次学生食堂里的几句闲聊……
食堂聊天，诞生一个新方向
2012年初，还是硕士研究生的时候，赵慎龙有一天在食堂吃饭，碰到生物学系一位研究“药物运载”的师兄。那时赵慎龙正在做石墨烯相关研究，和师兄的研究方向“八竿子打不着”。
边吃边聊中，师兄随口说了一句：MOFs（金属有机框架化合物）的比表面积大得惊人——1克MOFs展开后，表面积能达到3000平方米，相当于1.3个大型足球场。
赵慎龙愣了一下：“这么大的比表面积，用到催化上不得了啊。”
饭后，赵慎龙去查阅相关文献，发现还没人将MOFs和电催化联系起来，这让他非常兴奋。
“没人触碰的东西，我特别感兴趣。”赵慎龙说，“比表面积大意味着接触面、反应面更大，有利于催化反应。但MOFs既不是传统的铂、镍等贵金属催化剂（纯无机物），也不是有机小分子催化剂，而是有机-无机杂化材料，有特殊的结构，既有有利于催化的一面，也存在不利的因素。”
此后5年，赵慎龙把精力全“砸”在MOFs功能化上：用纳米技术去克服它的缺点，让这个原本“优势明显，缺点也突出”的有机-无机杂化材料，真正成为催化剂的理想载体。
2016年，读博的赵慎龙在《自然-能源》发表论文，提出超薄金属有机框架化合物纳米片用于电催化析氧反应，并通过调控双金属比例，实现高效析氧催化性能。
这是国际上最早将MOFs应用于催化的工作之一，在催化领域引起广泛关注。该论文目前被引超过3000次，让赵慎龙2021年至2025年连续被评为“科睿唯安全球高被引学者”。但文章发表后，质疑之声也接踵而至：比贵金属便宜那么多，凭什么效果这样好？
“现在回头看，我要感谢那些质疑。”赵慎龙说，“它推着我去回答一个更根本的问题：MOFs究竟为什么好？”
2017年，赵慎龙赴澳大利亚新南威尔士大学进行博士后研究。其间，他一刻未停地拆解MOFs电催化机理。2019年，他到澳大利亚悉尼大学独立开展研究，研究范围虽然涉及光催化、电催化、电池、微生物等领域，但他始终没有放弃追问“MOFs究竟为什么好”。
十几年持续深耕MOFs领域，也让他收获颇丰。2020年，赵慎龙在《自然-能源》发表第二篇关于MOFs的论文。这篇被引用超过1000次的文章完美回答了MOFs为什么能很好地用于催化问题。2025年，赵慎龙在《自然-化学工程》发表第三篇关于MOFs应用的论文，阐述了该团队在MOFs电极规模化制备及电解水应用方面取得的突破。
“我们的风格就是深挖。”赵慎龙说，“从MOFs可用于催化到催化机理、解决应用难题，我们基本上5年解决一个问题，一口一口把它‘啃’了下来。”
导师一句话，他开始转向应用
从硕士到博士，赵慎龙在国家纳米科学中心学习和工作了6年，导师是中国科学院院士唐智勇。2022年决定回国时，虽然国内多家高校和研究机构向他抛出橄榄枝，他还是选择回到国家纳米科学中心。
“这是个新成立的研究机构，虽然体量不大，但温馨、开放。”赵慎龙解释说，“中心有很多海外回来的研究人员，大家纯粹、坦诚，科研氛围很好。”
回到国家纳米科学中心不久，唐智勇找到赵慎龙。“年轻人一定要集中自己的方向，如果啥都做，最后可能啥都做不出来。”唐智勇说，“中国科学院的办院方针提出，要解决国家重大创新和发展问题。”
“回国前我做的是纯基础研究，目标就是发文章，而且涉猎广泛，兴趣很多。”赵慎龙说，“唐老师非常了解我，看到我们已经搞清MOFs机理，就提醒我要锁定目标，做些能解决国家需求的应用研究。”
那时国家正在推进“双碳”战略，赵慎龙把研究方向集中到“绿电驱动小分子催化”—— 一边致力于把工业尾气里的二氧化碳变成一氧化碳、乙烯；一边绕开传统电解海水的“氢氧路线”，以“氢氯”工艺路线解决电解海水难题。
为验证团队的研究，国家纳米科学中心支持赵慎龙团队与上市公司、先进储能材料国家工程研究中心合作，在湖南常德建起年产1万平方米膜电极的中试基地。但他很快发现，实验室里用1厘米×1厘米的电极片做了无数次实验、性能表现无可挑剔的技术搬到中试产线，面对1米×1米规模的电极片时，各种问题都冒了出来。
“同样的条件，实验室里和中试放大合成的材料均匀度完全不同。”赵慎龙说，“理论在那一刻好像失灵了。”
一次次“碰壁”中，赵慎龙团队和合作伙伴研究、讨论、改进、实验。他发现实验室里1厘米规模测试时，热效应几乎可以忽略。一旦做到1米见方，电极两端的散热就成为不能忽略的问题，随之而来的电压、电场分布、热传递情况，表面温度、反应速率都会发生变化，最后导致产品性能不稳定。
“放大绝非简单的增量问题，放大过程中一定会伴随着技术路线的变革。”赵慎龙说，“中试或实际生产会碰到很多意想不到的问题，我们就要抱着小学生心态，去学习、反思、实验、分析，摸着石头过河。”
向前走一步，集装箱里装着“负碳”的未来
从实验室的1厘米电极片到中试产线的1平方米电极片，再到即将交付企业的“集装箱”，赵慎龙团队的技术路线已经完全打通。一个“集装箱”每年可以消纳20吨二氧化碳。如果需要更大规模，企业可根据自己的排放量，像搭积木一样多组合几个“集装箱”，从而实现直接在园区里消纳二氧化碳。
“这项技术能真正做到‘负碳’。”赵慎龙解释说，“它不是减少排放或不排放（零碳），而是将二氧化碳消纳掉——转化为一氧化碳、合成气或乙烯。乙烯是多种工业产品的原料，被称为‘工业之母’，以此实现减排和二氧化碳高值转化。”
2025年，52个国家级零碳园区建设名单发布，赵慎龙团队与合作团队联合拿下了河北保定零碳园区。在他看来，氢能是“零碳”技术，但要真正实现“双碳”目标，必须有“负碳”技术——把已经排到大气里的二氧化碳抓住、转化、高值化。
“这套即将入驻工程中心开展工程化放大的负碳装置电极材料性能指标行业领先。”先进储能材料国家工程研究中心主任兼首席科学家、国家级零碳园区创建专家指导委员会主任委员钟发平说，“它能显著降低转化能耗，在常温常压下即可一步将二氧化碳转化为一氧化碳、乙烯等高附加值工业原料，真正实现变废为宝。”
此外，这套设备的工艺支持间歇式运转，能灵活匹配风光电波动，提高新能源就地消纳率，减少弃风弃光。
“这是一次材料创新与工艺革命的突破，有望打通零碳园区应用的‘最后一公里’，助力‘双碳’目标实现。”钟发平说，“当前国家级零碳园区建设急需这类装备。我们将为其提供真实场景验证和全要素赋能，全力支持装置的工程化迭代与规模化验证，推动负碳装备在更多园区落地。科研与产业的深度协作，才能真正踢好成果产业化的‘临门一脚’。”
赵慎龙认为，真正能落地的成果应该从基础研究开始，没有最基本的原理和“武器库”，后面所有应用都是空中楼阁。他强调，科研成果转化要广泛协作，向国际国内同行、企业合作伙伴学习。
“成果转化中，科学家要再向前走一步。”赵慎龙说，“一项实验室技术完全交给企业，大概率‘做不出来’。研究机构和企业各有所长，双方密切合作才能找到出路。科研人员要拿出一半时间，到工厂、到车间去学习、去‘答题’。”
