海归青年说 | 周礼楠：探索绿色化工

开栏语

中国特色社会主义新时代，亦是海归青年成长成才的新时代。近年来，华南理工大学不断深化人事制度改革，逐步构建具有全球竞争力的人才工作体系，引进了一大批具有家国情怀、勇攀高峰的优秀海归青年学者。他们在学校和所在学院的支持下，以探索新知、求真务实为己任，不断推动科技自立自强，在前沿领域屡创佳绩。“海归青年说”系列报道聚焦华南理工大学的海归青年学者，讲述他们在华园的成长经历和精彩故事，弘扬他们心系“国家事”、肩扛“国家责”的精神，展现新时代海归青年“报效国家、服务人民”的自觉担当。

周礼楠，华南理工大学自旋科技研究院/化学与化工学院教授，主要从事表面等离激元光催化，原位光谱，自旋催化，磁调控催化等研究。截至目前，周礼楠教授已获得了国际专利一项，在Science、Journal of The American Chemical Society、Proceedings of the National Academy of Sciences等高水平期刊上发表SCI论文20余篇，被引超3500次，荣获2021年中国化学会菁青化学新锐奖。

撰文｜郑宇丹 向彦桦 师雨欣 钟晶晶

视频制作｜曾彦霏 刘杨洋

摄制｜向彦桦 钟晶晶 高芊芊 方超 黄佳兰 刘杨洋 方贺

科学助理｜詹君正

公众号责编｜赵健敏

2022年10月，科学家沙普利斯再度登上诺奖领奖台，这已经是沙普利斯第二次获得诺贝尔化学奖。2001年，他凭借在手性催化氧化反应领域的贡献首次折桂。

2022年诺贝尔化学奖获奖者，右一为沙普利斯

不对称手性催化合成的研究一直是学术前沿热点，2021年的诺贝尔化学奖同样垂青不对称合成，颁发给了德国科学家本亚明·利斯特和美国科学家大卫·w·c·麦克米伦，以表彰他们在“不对称有机催化”方面的贡献。

“不对称有机催化”合成图（图源：诺奖官网）

而手性分子选择性合成恰恰是周礼楠的研究方向之一，只是不同于传统化学家采用的手性催化剂的方法，他选择了一条少有人走的道路：通过基于物理学的电子自旋极化激发和电子自旋与分子手性间的特异性作用，尝试实现手性物质的选择性合成。

“科学发展到现今的阶段，单一学科内部的方法和手段或已达到极致，通过跨学科的方法，或许能更好地实现突破。这也是自旋科技研究院的特色之一：即通过学科交叉的方法解决重大的科学问题。”

周礼楠教授在接受采访

从北京大学化学与分子工程学院毕业后，周礼楠前往莱斯大学，师从美国三院院士Naomi Halas攻读博士学位，之后继续在莱斯大学从事博士后研究，并在高效表面等离激元光催化及其机理研究方面取得了一系列创新成果。

2020年入职华南理工大学之后，周礼楠教授继续将目光聚焦在物理化学科学的底层逻辑上，专注于“等离激元光催化”、“自旋极化”和“不对称手性合成”，致力于探究更前沿、更高效的催化剂。他将自己的实验室命名为“SPEC”，取自于自旋Spin、光Photo-、电Electro-、催化Catalyst的首字母，并立志做一名基础科学的探索者，一个从“光”中寻找能量的人。

周礼楠在指导学生做实验

一

起点：等离激元光催化与自旋极化

“光的本质是电磁波，当一束光线照射在特定金属上时，受振荡电磁场的驱动，金属中的自由电子在金属表面发生往复振荡。此时活蹦乱跳的电子们，相对于原本的无序态（基态）而言，在协同振动中与光场强烈耦合，具有更高的电势能，这就是等离激元现象。”

周礼楠的探索是从等离激元光催化开始的：“我们的工作更专注等离激元光催化背后的规律和机制，通过基础科学的原始创新，推动相关科学领域的发展，最终可能成为绿色化学革命的推动者。”

催化应用的全球份额（图源：普林斯顿大学官网）

光催化作为解决环境污染和生产清洁能源的重要手段之一，是我国重点发展的产业。一方面，光催化可以作为一种绿色的水污染处理技术，用于消减有机物污染。常见的染料，如亚甲基蓝、罗丹明B、甲基橙，以及抗生素、农药等，都可以被光催化所降解。另一方面，光催化可用于水分解产氢和二氧化碳还原等，是应对全球暖化气候危机的重要法宝。

光催化实验环节

但当前的光催化材料研究主要集中在半导体及其改性材料上，经过将近50年的发展，相关研究进入了平台期。如何打破行业瓶颈，提高催化效率，从根源上推动行业的进步？周礼楠教授将目光聚焦在等离激元光催化上。

等离激元光催化的作用机制在于利用光波中电磁场驱动金属中的自由电子从无序状态至协同振动，从而产生高能量的电子。这些“活泼”的电子，可以同金属表面吸附的反应物发生能量交换，引发各种催化反应，如解离反应。

表面等离激元示意图（图源：B站“守望de星空”）

相比传统通过加热方法进行的解离反应，等离激元光催化能够达到更好的反应效果。利用太阳能驱动化学反应的一种途径是通过太阳能站将太阳光聚集起来，依靠光热去驱动反应，但催化剂在被加热之后会由于黑体辐射限制太阳能的利用率，温度越高，能量的损失越大。

聚光太阳能（图源：Red Green &Blue 网页）

而周礼楠教授则利用等离激元效应略过了加热这一环，直接将太阳能转化为电子的能量去做反应，极大地提高了能量利用率的天花板。“可以把我们的反应理解为要爬一个坡，催化剂可以把这个坡变矮，而等离激元相当于把爬坡的动力加强了。通过将等离激元与催化表面结合，可以实现极高效的光催化效能，就是我们所说的光天线-反应器的概念。”

2018年，有关等离激元光催化的论文被顶级期刊Science采用，周礼楠是这篇论文的第一作者。

周礼楠作为第一作者的论文发表在Science

在周礼楠教授手中，等离激元光催化技术是推动绿色化工行业革命的第一把钥匙；而另一把钥匙来自于自旋极化反应调控。

与等离激元光催化一样，自旋极化催化反应也是一个年轻的研究领域。自旋极化指的是在一定条件下让电子、原子核等粒子的自旋方向都朝某一个特定的方向排列。

致力于新兴产业研发的华南理工大学十分重视自旋研究的发展前景。2021年5月4日，华南理工大学自旋科技研究院（Spin-X Institute. SCUT）正式成立，涵盖自旋化学、自旋操控、自旋材料与器材、自旋生物医学等多个研究方向。

自旋科技研究院

周礼楠在回国一年后，于2021年10月正式加入自旋科技研究院，开始探究电子自旋调控及其在化学反应的应用研究。

“自旋是电子的量子内禀属性，没有经典的参照物，但我们可以把它想象成一个陀螺，有两个自转方向，姑且称为上自旋和下自旋。无论是原子轨道，还是分子轨道，一个轨道里面只能填两个电子，原因是电子的基本属性不能完全相同，而电子自旋只有两个值，这被称为泡利不相容原理。”

有趣的是，分子的手性也分为两种情况，左手性和右手性。并且人们已经发现电子自旋与分子手性之间存在特异性作用，上自旋会与其中一种手性作用更强，而下自旋则反之，这样的效果使得利用电子自旋选择性引发特定手性分子的反应成为可能。

电子自旋方向示意图（图源：B站“Linvo说宇宙”）

回到周礼楠教授的研究中来，无论是利用等离激元激发电子能量，还是自旋极化控制电子自旋，都是在源头利用电子的正向效果，绿色地创造物质。

那么等离激元光催化与电子自旋极化催化，将会如何实现化学化工行业的变革呢？

二

应用：小型加氢站的未来

改变人居环境的最好方法是使用清洁能源。从全球范围来讲，公认的清洁能源是氢。目前，各国都在积极布局氢能产业，我国也在“十四五规划”中将氢能视为加快能源转型升级、培育经济新增长点的重要战略选择，氢能的制取、储备、运输、运用等方面都受到了广泛关注。

传统的制氢方式有两种，其一是通过煤炭或烷烃类分子的高温重组生成，虽然相对便利但生产过程所需的高温往往由燃烧化石燃料实现，会产生大量碳排放和造成新的污染；其二是通过电解水制氢，此方法尽管十分环保，但成本也较高。怎样才能低成本制氢而又不失环保，这始终是学界和业界共同探索的目标。

周礼楠也是其中的一员。2018年，他将自身的研究成功转化为国际专利（Multicomponent Plasmonic Photocatalysts Consisting of A Plasmonic Antenna And A Reactive Catalytic Surface: The Antenna-Reactor Effect），该项专利的主要原理是通过等离激元为主的催化技术，利用光能将氨气、烷烃类原料转化为氢气，在更环保、成本更低廉的条件下运用氢能。

等离激元光催化制氢研究设备

“等离激元效应通常是以金属为载体，但存在两个问题：其一是能作为等离激元载体的金属不多，往往催化活性不够，其二是具有良好催化活性的金属一般对光能的吸收性能不好。”当提及该项专利的基础原理时，周礼楠这般解释：“我们这项专利其实是将等离激元材料充当了一个‘光天线’的作用，通过等离激元和催化相结合，增强了对光能的利用效果。”

一份2021年的产业报告显示，在运输领域使用的氢气价格构成中，运输距离占氢气总成本的25%~37%，对总成本影响较大。如果周礼楠的光能催化技术得以应用，不仅可以大幅降低成本，还可以更为环保地制取、转化氢能，从而实现小规模分布式生产运用。

比如分布在城区的小型加氢站，可以先将便于运输的液态氨或烷烃类燃料运至该处，再使用光能驱动催化分解使之变为气态的氢，便可以达到安全环保且又成本可控的效果。

周礼楠教授与学生共同实验

周礼楠教授介绍，这项专利技术尽管也是以氨、甲烷等烷烃类物质为原料，但并非通过燃料燃烧驱动转化，而是利用光能催化，辅之降低催化温度等催化反应的条件，就可以大幅降低成本。而这些催化反应都是发生在纳米级别的，反应器等设备不需要非常大规模，可以支持小规模生产，相当于一个缩小的化工厂。

不用燃料的小规模产氢意味着什么？它可以改善氢能储运成本居高不下的应用瓶颈，推动氢燃料电池的应用，可以用于一些商业、生活场景的小规模发电，有助于提升城市对清洁能源的利用。

国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规

（2021-2035》

作为驱动电子有序分布的等离激元光催化，是周礼楠探索绿色化工的第一把钥匙，它打开的是“氢未来”的大门；而另一把钥匙“自旋极化催化反应”，则更多关注生命健康，通过用自旋极化技术进行手性合成，为手性药物制备打开新的大门。

三

探索：对手性药物的物理“去毒”

“什么是手性？”周礼楠教授以人的两只手做比喻。手性（chirality）是分子的一种属性，是互为镜像的对映异构体，包括左手性和右手性，就像人类的两只手，虽然互为镜像，却不能完全重合。

关于手性的介绍（图源：B站译学术）

手性现象广泛存在于自然界，动植物的生命起源与手性密切相关，比如，人类的DNA是右手性，而氨基酸则是左手性。

手性（旋体）的作用机制（图源：中国化工协会）

1815年，让·巴蒂斯特·比奥首先发现了手性分子的光学活性，从而使得手性物质得以在制糖工业、制药领域获得应用。但人们最初不知道要对手性进行区分，不了解一种药物的某一手性有效，但另一手性却可能有极大的毒副作用。

直到20世纪五六十年代，英、美、德、日等国家的部分孕妇服用治疗妊娠止吐的药物，导致1.2万名以上的新生婴儿没有臂和腿，手和脚直接长在躯干上，样子像极海豹，故称为“海豹儿”。造成婴儿畸形的“罪魁祸首”是一种以沙利度胺为主要成分的手性药物。1961年，沙利度胺停止生产，“海豹儿”也随之消失。

手性与自旋关系图（图源：B站“ZFers频道”）

这一事件让药物的手性获得广泛重视。自此，新药在研发成功后都要经过严格的手性筛查，以避免混入另一种手性分子的危害。

随着对手性药物认识的不断深入，科学家们成功研制并不断推进不对称合成技术，手性药物日益成为新化学实体研发的重要方向。比如抗压药物左旋氨氯地平，剔除了传统氨氯地平产生不良反应的右旋成分，安全性更高，且降压作用提升2倍；又如相同剂量下的手性药物艾司奥美拉唑相比奥美拉唑，其肝脏首过效应更小，起效更快，抑制胃酸分泌能力更强，导致头晕、恶心、便秘的发生率也更低。

虽然从成本上来讲，手性药物的费用更高，但因疗效更显著、副作用更低，其临床用量日益上升，市场份额也逐年扩大。

手性药物的市场份额（图源：普林斯顿大学官网）

“是药三分毒”，如何有效去除手性药物中的“毒性”，让手性药物对人体产生更有效、更直接的药物作用，是手性药物研究的关键。

周礼楠介绍，“去毒”方法有化学和物理两种。2021年10月6日，诺贝尔化学奖颁发给德国科学家本亚明·利斯特和美国科学家戴维·麦克米伦，他们使用的是化学方法进行不对称手性有机合成，直接得到单一手性的产物。

2021年诺贝尔化学奖得主

而周礼楠采用的是物理方法，思路是通过控制电子的自旋朝向以选择性消解“有害”的手性异构体。

周礼楠教授指出：“由于手性包括左手性和右手性，电子进入手性物质中会出现朝上或朝下的偏向，对左右手性的作用也不尽相同。假如不对电子自旋进行干预，两个朝向各有50%的比例，左手性与右手性物质反应的概率也就相同，难以产生任何效果。”

周礼楠教授在做调控实验

在过去几十年里，科学家已经在实现电子自旋极化上取得重大进展，但仍缺乏对电子自旋与分子手性作用关系的研究。如何实现手性分子的自旋选择反应，并提升其选择效率，是当下研究亟待解决的问题。

周礼楠坦言，他与课题组对去除手性药物中的毒性研究还处于探索阶段：“希望在未来的持续性研究中，我们课题组能够实现精准控制电子方向，100%活化某个手性物质，达成去除手性药物中的‘毒性’的目标。虽然手性药物的开发是一个非常复杂精密且长期的研究过程，需要药理学、临床医学甚至毒理学的综合性研究，但我们期望能够从物理化学研究的角度对手性药物的‘去毒’做出贡献”。

周礼楠教授在办公室工作

视频/动图参考来源：

[1]华南理工大学教师信息 https://yanzhao.scut.edu.cn/ExpertInfo.aspx?zjbh=VzR1oh4rqhUj9iemCx3HGg==

[2]周礼楠教授团队在Science杂志发表表面等离激元光催化的重要研究

http://www2.scut.edu.cn/spinx/2021/1209/c31023a454105/page.htm

[3]2022诺贝尔生理学或医学奖颁奖现场（中译）_哔哩哔哩_bilibili

https://www.bilibili.com/video/BV1qG4y1H75Z/?vd_source=7748613e57a5e98566f86c8402eef496

[4]【【俗说量子】神秘的自旋（第5期）Spin】 https://www.bilibili.com/video/BV1HK4y137pc/?share_source=copy_web&vd_source=43e9c5ad93c20df61ba81b7fa830da91

[5]【纳米光学：表面等离激元SPPs的产生】 https://www.bilibili.com/video/BV18s411V7Zx/?share_source=copy_web&vd_source=43e9c5ad93c20df61ba81b7fa830da91

[6]【探索化学化工未来世界：手性之谜】 https://www.bilibili.com/video/BV15X4y1V7VJ/?share_source=copy_web&vd_source=43e9c5ad93c20df61ba81b7fa830da91

[7]【手性诱导自旋选择性效应:安全药物,农药,化肥的未来启示】

https://www.bilibili.com/video/BV1Qr4y1Q7ud/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=206986c270f4f20e7c2c71a69c527a3c

[8]【David MacMillan：不对称有机催化（中英双语字幕）】

https://www.bilibili.com/video/BV1JM4y1F7SW/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=9ecedf8973c47f2aabeaeef5c378d470

https://www.bilibili.com/video/BV15X4y1V7VJ/?share_source=copy_web&vd_source=43e9c5ad93c20df61ba81b7fa830da91

华南理工大学“海归青年说”系列报道

项目总策划：李卫青

项目总统筹：吴树雄  冯向阳

  项目联络人：王   娟  汪昭兵  

内容总策划：郑宇丹

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