「英才风采」姚孟喆:向治理石油污染进发 打造多孔陶瓷

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  学员简介

  姚孟喆就读于合肥市第六中学,2018 年“英才计划”化学学科优秀学员,师从中国科学技术大学化学与材料科学学院杨金龙教授。

  姚孟喆的课题为《悬浮乳状液制备多孔 SiOC 陶瓷 及其在油水分离中的应用》,该课题针对海上石油污染问题,力求制备多孔陶瓷来吸附原油,从而有效地处理水污染,凭借该课题,姚孟喆在 2018 年“英才计划”化学学科论坛上获得优秀学员称号。此外,他曾在第 32届中国化学奥林匹克(初赛)中荣获二等奖。

  小时候,姚孟喆总觉得科学家都是一些很厉害的人,所从事的是一项很伟大的职业,能够通过自己的研究为大多数人的生活带来实质性的改变,因而内心一直非常钦佩。后来,随着姚孟喆慢慢开始接触化学之后,对学科的强烈兴趣也坚定了他成为科研人的信念与理想。

  一心打造多孔陶瓷

  出于对化学学科的喜爱,姚孟喆从高中开始接触竞赛,并随之涉猎了大量本科的化学知识。在学校的一次宣讲会上,姚孟喆得知“英才计划”可以让广大中学生提前参与到大学的研究项目中去,培养学生的科学素养、创新精神,于是便申请参与其中。4 月,姚孟喆在中科大化学与材料科学学院教授徐鑫老师及其博士生董宾宾的指导下确定了自己的课题方向。

  目前,各领域对石油资源的需求不断扩大,虽然管道运输等技术不断进步,但海运仍然是远距离石油运输的主要方式,所以运油船倾覆导致的海上石油污染问题随之而来,不仅造成了资源的浪费,更对污染地的生态环境造成了严重破坏,大量海洋生物、海鸟因此丧命。目前,石油泄漏主要有三类处理方法:物理方法包括围栏阻止扩散,吸油材料吸收;化学方法是利用凝油剂、乳化剂或直接燃烧;生物方法是利用噬油菌处理。

  吸收法所用材料主要有海绵等有机材料和多孔陶瓷等无机材料,但有机材料有耐酸耐碱性差,强度较低等缺陷。由于缺少廉价、高效的吸收方法,多孔陶瓷吸收法应运而生。多孔陶瓷(纳米陶瓷)是目前市场上和研究领域的热门材料,它以金属氧化物、二氧化硅、碳化硅为材料制成,具有气孔率高,强度高,化学性质稳定,耐久性好等多种优点,可用于过滤多种物质或用作隔音、隔热材料及载体。既然多孔陶瓷具有如此高的孔隙率,姚孟喆便想到,那为何不能利用多孔陶瓷来吸附原油,从而有效地处理水污染呢?因而他便在4-10月间进行了多孔陶瓷的制备与研究。

  做课题期间,他每周都会去实验室进行学习,这中间他也曾遇到过一些困难。在做陶瓷胚体的时候,他要先把含氢聚硅氧烷和四甲基四乙烯基聚硅氧烷均匀混合固化成胚体之后再将水分离去后进行造孔,一开始整个操作是在实验室常温环境下进行的,有时候胚体完全没有固化成功,水就离去了,这就导致里面产生较大的空隙,不符合多孔陶瓷的要求。因而,姚孟喆又不得不进行一些改进,重新在比较高的湿度环境下进行操作,以此来改良胚体的性能。

  如今,尽管他的课题已经顺利完成,制作出了具有良好性能的陶瓷材料,但是他内心仍有一些遗憾,实验所用的材料在制作的时候浪费量较大,他认为还需要进一步改进方法来节省原料,这样一来,投产之后材料利用率高效果才会好。另外,实际应用中对陶瓷的循环稳定性高,由于课题时间短暂,姚孟喆并没有做循环稳定性检测实验,希望日后能有人继续深化这方面的研究。经过这个课题的历练,姚孟喆内心也受到启发:一定要有探索的精神,并且要能将理论的东西应用于实践,学会使用科学的方法来解决科学困难。

  英才论坛吸取“养分”

  在今年的“英才计划”化学学科论坛上,来自全国各地的“英才计划”化学学科学员在此分享自己一年来的成果,姚孟喆凭借课题的出色表现最终获得了年度优秀学员称号。同时,他也在这里汲取着别人所做课题的长处,了解其他的优秀学员是如何成长的。

  众多的学员中,有一个来自上海的学员给他留下了最为深刻的印象。他介绍说,原因在于这个学员是四十多个学员中唯一一个纯搞理论的学生,研究的是有机化学,研究非常具体、细致,对各位点的效应、能量、张力都结合经典理论进行了综合分析,而且所写论文也已经在相关期刊上发表了,站在一个高中生的立场,姚孟喆着实为之感到钦佩。

  通过“英才计划”一年来的培养,姚孟喆总结说,自己在三方面获得了提高,分别为实验器材的操作、实验技能的提高以及学科素养的提高。以前,他所做的实验主要是验证性的,要求不严格,而加入“英才计划”在大学实验室里主要做的是研究型的实验,这种实验对严谨性有更高的要求,因而也要求他在做学问的时候要更加地谨慎细致。

  姚孟喆认为,化学是一门非常有用的学科,在人们的生产生活中都有很多的用途,化学的本质其实就是为人类服务,使人们能够生活得更好,他自己也希望通过学习化学做出一些研究成果来改善人们的生活,目前,在实验方面他喜欢研究材料化学,理论方面则是喜欢研究有机化学。他也发自内心地说,“既然自己选择参与了‘英才计划’,就希望能继续遵循这个路走下去。‘英才计划’提前帮助自己了解大学,对自己的未来也是一种预先的演练。”

  导师简介

  杨金龙,中国科学技术大学副校长,“英才计划”化学学科工作委员会秘书长。1981 至 1985年在南京师范大学学习,获学士学位。1985 至 1991年在中国科学技术大学学习,分获硕士、博士学位。毕业后留校任教。曾在意大利 Padova 大学、Cagliari大学、国际理论物理中心、香港科技大学、东京大学、香港大学和新加坡国立大学等单位工作和访问。1996年起任中国科学技术大学教授。1997 年任中国科学院选键化学重点实验室副主任,2004 年任合肥微尺度物质科学国家实验室理论与计算科学研究部主任 , 2009年任化学与材料科学学院执行院长。2017 年 1 月任中国科学技术大学校长助理,2018 年 4 月任中国科学技术大学副校长。

  长期从事理论与计算化学的教学和研究工作。一直致力于发展与应用第一性原理计算方法与模型研究小分子,原子团簇,固体表面与界面和纳米体系的结构和性质,注重和相关实验研究的配合与合作。已发表学术研究论文四百余篇,论文被他引一万余次。获得国家杰出青年科学基金资助,受聘教育部“长江学者奖励计划”特聘教授, 担任基金委创新群体负责人和国家重点研发计划项目首席科学家。应邀担任 WIREs Computational Molecular Science 和物理化学学报的副主编,Phys. Rev. X、Theoretical Chemistry Accounts、The Journal of Physical Chemistry、中国科学和化学物理学报的编委。入选美国物理学会(APS)的 Fellow。

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