■本报练习生 宋书扉 记者 冯丽妃一天，河南年夜学教学时新建在家办公，家里的泰迪犬在他旁边撒了一泡尿，气息颇为浓郁。那一刻，他灵光乍现：“能不克不及借助催化范畴的技巧，让尿液失掉更无效的应用呢？”当时，时新建不想到，这泡“泰迪尿”会带来一个主要冲破。克日，时新建作为第一作者兼通信作者的一项尿液研讨，以封面论文情势宣布于《天然-催化》。相干研讨被《天然》选为“亮点论文”停止报道。在这项研讨中，时新建与配合者将人与植物尿液中的尿素用电化学反映直接转化为高纯渡过碳酰胺。这一处置技巧将有助于变废为宝，让尿液这一都会开展的老迈难成绩酿成“固态宝藏”。“风趣”“有效”，期刊审稿人对该研讨赐与了高度评估。一项“有滋味”的研讨2021年，时新建从美国斯坦福年夜学博士后出站，成为河南年夜学的一名特聘教学。时新建是山东人，先后在韩国成均馆年夜学、斯坦福年夜学取得硕士与博士学位，并在西班牙海梅一世年夜学发展过配合交换，聚焦光电催化研讨，在多个专业类一流期刊宣布论文30余篇。名校结业、海归阅历，加上手握多项结果，他为何抉择到一所“双非”高校辞职？时新建直言：“良多人可能会过火存眷黉舍的排名，但这实在是很浮浅的意识。对科研任务者而言，最关怀的是科研平台是否供给精良的科研前提，是否辅助实现科研幻想。河南年夜学在软硬件方面都给我实现科研目的供给了很好的平台。”时新建的科研幻想是做一些有利于国计平易近生的事件。泰迪的那泡尿让他遐想到都会化过程中尿液跟都会废水处置中的辣手成绩。自古以来，中国人就有将尿液作为农家肥应用的传统，这也使其领有“液态黄金”之称。“但在生齿麋集的都会或年夜型养殖场，农家肥的需要并不年夜，把尿液运到待处置或真正须要的处所，光是铺设管道或构造运输，就是一年夜笔本钱。”时新建说，“并且，会合式的废水处置厂不只能耗宏大，还会残留大批的含氮废料。”那么，直接从尿液中提取尿素作为肥料呢？这听起来仿佛是个好主张，但现实上这么唱工艺庞杂、本钱昂扬。在人们发明产业分解尿素本钱更低后，从尿液中提取尿素的实验多少乎止步。时新建实验处理这个成绩。他在斯坦福年夜学发展的双氧水研讨曾碰到过挑衅。双氧水是一种存在杀菌感化，可用于医学、产业等范畴的化学物资，想进步浓度需将其从液态转为固态，但当时他始终不得其法。“尿液中的尿素刚好能够与双氧水联合，构成固态产品。这不就是个一举两得的措施吗？”时新建想。为了验证这个主意，时新建率领团队启动了一场“颇有滋味”的尿液征集运动。“从试验室成员抵家人友人，从人到宠物，各人都被动员起来了。固然这个研讨资料听起来有点特殊，但各人据说有助于环保，都很支撑！”他笑言，“咱们的试验前后网络了身边数十人，另有多条泰迪犬跟比熊犬的尿液。”尿液网络返来后要停止一系列预处置：调理pH值、过滤获取廓清液、冷冻枯燥成一个个“尿饼”。在这些基本任务实现后，他们才干经由过程适合的催化资料让尿素跟双氧水产生反映，天生高纯度、高附加值的固体衍生物——过碳酰胺。时新建先容，过碳酰胺在医药、纺织、食物、日化等范畴用处普遍。比方在临床医学中，它存在抗炎、克制肿瘤细胞增殖、进步机体免疫力等感化。别的，它在制造消毒剂、漂白剂以及肥料等方面也有效武之地。这象征着，尿素与双氧水两个简略化学物资的联合会带来“1+1＞2”的多厚利好。“冲鸭小分队”然而，抉择适合的催化剂是最年夜的挑衅。“传统的贵金属资料固然催化机能好，但价钱太高；廉价的过渡金属又面对抉择性跟毒化的成绩。终极，咱们将眼光聚焦到碳基资料。”时新建团队博士生、该试验重要参加者曾柏林先容。研讨团队经由过程对碳资料构造的经心计划跟调控，在其名义构建了奇特的活性位点。这些位点能无效吸引尿液中的钠离子富集，进而增进尿素跟双氧水的干净联合。有了这个冲破，他们开辟的原位电化学技巧就能让尿素分子在平和前提下与双氧水定向联合，构成易网络的晶态过碳酰胺。但是，碳基资料背地的任务机制是什么？怎样将其机能施展到最优？时新建团队与同校的贾瑜教学、吕鹏博士配合，将试验研讨与实践模仿联合，以期经由过程“双轨并进、上风互补”的方法答复这些成绩。“经由过程盘算机模仿，咱们能够验证每个反映门路能否可行。这不只能领导试验，还能辅助咱们懂得反映机理，从而更好地发展下一步试验。”从事实践研讨的贾瑜对《中国迷信报》说。“比方，从原子标准来看，咱们要断定毕竟什么样的碳基资料原子构造最有利，能展示出最好的活性。在实践盘算时，咱们能够从差别角度建模。”同样从事实践研讨的吕鹏说明说。为了让研讨成果尽快“面世”，时新建为配合团队树立了一个名为“冲鸭小分队”的微信群。群里均匀天天都有更新，碰到成绩破即开展探讨。偶然，探讨到要害处，怕微信上说不明白，时新建会破刻跟“小分队”成员们一同到集会室将“线上”交换转到“线下”。“咱们都在一个系，办公室相距只有多少十米，以是实践跟试验互动十分频仍。”贾瑜说。只管马不停蹄，他们最初估计的投稿时光依然一推再推，从估计的9月推迟到10月，最后推到了12月。“没措施，要试验跟盘算的处所太多了。”时新建说，近一年的时光里，他们构建了近千个盘算模子模仿试验进程，试验记载一度到达700多页，天生了500多幅数据图片。幸亏工夫不负有心人，他们终于揭开了这项化学反映的精妙之处——高度的抉择性。在碳基资料电催化感化下，尿液中的诸多身分里，只有尿素能与双氧水联合构成晶体，而其余物资则留在液相中，从而让研讨者可能精准地将尿素以固体情势提掏出来，转化为过碳酰胺晶体。经由简略的重结晶进程，其纯度近乎100%。踏实的研讨让他们的投稿仅经由一轮修正就被接受。此中一位审稿人指出：“这项研讨存在很高的代价。它展现了一种应用可再生电力，经由过程应用过氧化氢从尿液中接纳尿素的替换方式，能够为放弃物治理带来宏大的情况跟经济效益。”“纷歧定非得在名校才干做好的研讨”始终以来，产业上出产尿素须要在低温高压下让氨气跟二氧化碳产生反映，能耗宏大。“咱们的方式在平和前提下就能实现转化，不只节能环保，还能保障产物的高纯度跟尿素分子的完全性。并且，咱们的碳基催化资料稳固性好、价钱昂贵。”时新建说。这项从“液态黄金”提炼出“固态宝藏”的技巧还包含着宏大的利用跟转化代价。研讨表现，该方式逐日出产1吨过碳酰胺只要要100平方米的地皮，以及来自6382户家庭或3800头奶牛的尿液，比拟传统方式本钱更低，且能发生更纯、更有代价的终极产品，存在很高的工程可行性。令研讨团队惊喜的是，这项任务还当选了期刊封面。“咱们的封面计划图中，催化剂被计划成蝴蝶的同党，象征着尿液废水经由处置后，‘演变’为情况友爱型的高附加值产品跟较为清洁的液体。”时新建说明说。谈起研讨从主意“演变”为事实的暗码，他答复说：“由于有团队的合作尽力，每团体都竭尽全力。”面向将来，时新建设想出一套都会废水处置工业化计划：计划出一个年夜型装备，尿液经由过程后，发生的固体被主动网络，液体持续往前活动。经由反映池后，液领会变得越来越污浊，尿素含量越来越低，终极将尿液转化为纯水、尿素以及其余无机盐三相分别，变废为宝。不只如斯，在新动力范畴，他地点团队还与多家企业配合，针对海上动力站开辟了基于光伏跟光催化技巧的原位产氢安装翻新技巧。“纷歧定非得在斯坦福等名校才干做好的研讨，各人更在意的是能否在好的团队。我信任在河南年夜学一样能够建立如许的团队。”时新建说，“况且河南年夜学也有多个‘双一流’学科树模点，咱们的资料学专业也在疾速向‘双一流’学科开展。”天天穿越在河南年夜学郑州校区古韵与古代气味融合的校园中，与共事跟先生做着爱好的研讨，时新建感到这就是最幸福的事件。相干论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-024-01277-3