——记香港理工大学副教授劳子桓

郑 心  户 万

聚创新之能

　　生活中，有一类工具为众人所广泛应用——筛子。它主要起到筛选、阻隔的作用，无论是筛面粉还是筛沙土，都是众人身边极具烟火气的寻常景象。但在化学学科中，科学家却用“筛子”来筛选分子。虽然听上去有些不可思议，但这种神秘像拥有魔法般的“筛子”的确存在，它是一种矿物质，名为“沸石”。由于独特的孔洞结构，它可以轻易做到只让特定大小的分子通过，精准高效地分离混合物中的不同组分，挑选所需成分，也正因为此功能，它还有一个更为直观形象的名字——“分子筛”。

　　自1756年，瑞典矿物学家克朗斯特德（Cronstedt）在探索玄武岩的过程中偶然发现了沸石起，人类便如同打开了永不干涸的一汪泉眼。到20世纪，已经逐渐有80多种天然沸石被发现；1930年，人类又首次解析出其晶体结构；20世纪40年代，学界便开始马不停蹄地致力于人工合成分子筛……至今，仍有无数学者前赴后继，将分子筛逐渐构建出世人眼中面粉状、圆柱体、不规则晶体等“多副面孔”。

　　而更为重要的是，作为连接微观与宏观世界的桥梁，分子筛以其独特而精密的孔道结构，逐渐演变成了科学研究中不可或缺的重要角色。毕竟，生活中近70%的汽油都要靠分子筛的催化裂解产生，80%的催化反应中都有它的身影。在二氧化碳捕获、绿色化工技术领域，它更是具有不可替代的作用。也正因如此，香港理工大学副教授劳子桓才注意到这一传统化学的核心支柱之一。“眼下，我们正在筹备一家专注于超大孔沸石大规模合成的公司。”劳子桓透露了自己研究的最新动态。这既是他十数年深耕领域的积淀，也是他近期新技术的转化。

　　近日，劳子桓与合作者的学术论文再登《科学》（Science）。文章中记载了他们开发能够精确定位H-ZSM-5沸石中铝（Al）原子技术的攻关过程与有力论据，并实现了单铝分布和铝对分布的精确测定。通过结合共振软X射线衍射和分子吸附技术，研究团队还直接表征出了铝对的存在及其与氨分子的相互作用。这无疑在一定程度上解决了一个长期悬而未决的科学问题——沸石中铝位置测定。“因为沸石是铝硅酸盐矿物，而我们都知道铝和硅的电子数极为相近，所以定位铝是很难的。”劳子桓补充。也就是说，被证实的铝对的存在不仅为沸石催化剂的精确设计和优化奠定了重要基础，也为理解沸石的催化活性、分子吸附几何形状及反应机制提供了新的视角，对相关领域未来发展具有重要的科学意义。但有些意外的是，劳子桓并不是很喜欢去设计、臆测很远的未来，“我走入科研是因为喜爱，不是为了要从中得到什么，所以我只需要把当下的每一步走好，再抬头看看目之所及的几步路，确认好方向，就很好”。

志趣凝硕果

　　在任何人口中，劳子桓都不是一个“古板”的研究者形象。往远了说，多年的海外生活让他身上处处有着东西方文明互鉴后的影子；往近了看，他一直为自己留存着一片广袤的精神原野，并要求团队成员也不要让生计填满生活——至今，他仍未实行过“打卡制度”，并“强制”规定所有成员每周必须至少有一天休假时间，把时间留给自己。社会发展的指针不断加速，他却顺应自己的节奏偶尔徐行，不断调试身心。“我始终相信一味埋头工作、闭门造车是做不出好成果的，至少我们要知道周围都在发生什么，身边有哪些问题是值得我们思考进而去解决的。这算是‘松弛感’吗？我不知道。”但无形中，就是这样自在松弛的状态叠加浓浓的烟火气，构成了劳子桓十数年如一日的科研基调。

　　细数劳子桓的过往履历，那可能会是许多人梦寐以求的成长路径。中学入读英国雷丁学校，他在这座历史长达900年的文法学院中为情绪表达和兴趣爱好找到安身之处；大学考入牛津大学，而后在那里完成了本硕博的求学生涯，立于世界一流学府的平台之上眺望激荡于心的“诗和远方”。但他却说，旅居英国十年，自己其实也不知道最开始为什么会选择扎根这片土壤，“大概就是因为家人工作的关系，我从小就要在澳大利亚和英国之间跑来跑去，后来也是被家人安排定居在英国读书，我那时候没有追究过背后的原因，但西方文化的确影响了我形成‘做事要从兴趣出发’的特点”。

　　所以，选择走入化学系是因为单纯的喜欢。“我对物质的分子特性、原子特性一直特别感兴趣。”虽然那是一个肉眼看不到的微观世界，却可以从独特视角解析清楚物质的本源结构。抱着这样的想法，从博士阶段起，劳子桓便跟随导师曾适之教授探索新化合物和材料在多相催化过程中的应用，尤其是在先进无机材料（纳米结构材料、介孔材料、分子筛、复合金属氧化物等）的表征应用，为推动精细化工催化等方面的卓效进展奠定基础。

　　在当时的劳子桓眼中，曾适之教授是“看得见的哲理”“有分量的航灯”，直到现在，忆起人生中的良师益友，他仍会将曾老师摆在首位。“不过前阵子曾老师因病逝世了。”披露消息的同时，劳子桓语气中是掩不住的遗憾。好在岁月无言，历久弥新的影响力却有声，近年来劳子桓的许多研究中，仍会时常出现导师的名字，他们用行动践行了科学无分国界，就连超大孔沸石大规模合成公司的地基上，也镌刻着合作创新的光辉历程。

　　关于定位沸石中铝的分布及探究反应底物的三维立体特异性吸附问题，早在2014年便走入了劳子桓的视野。“因为这与许多催化反应（比如甲醇升级和烃类裂解中的催化性能）密切相关。”他补充道。于是在初期研究中，他联合导师团队使用了一系列探针分子（比如吡啶、甲醇和氨），曾间接探测过H-ZSM-5沸石中的相关化学特性。尽管取得了一定进展，但他慢慢发现沸石化学中仍有许多关键问题尚未解决，比如直接确定沸石中铝的晶体学位置、浓度和分布仍然极具挑战性，“当时主要是缺乏合适的表征方法”。因此，虽然粉末X射线衍射（Powder X-ray Diffraction，PXRD）和固态核磁共振（Solid-State Nuclear Magnetic Resonance，NMR）研究已经证实骨架铝位点是非随机分布的，但由于铝和硅的散射因子几乎相同，还是导致传统的表征技术受限于分辨率与三维纵深分辨能力。

　　为此风雨十年，劳子桓在后来的研究之中，决意通过结合探针辅助技术和共振软X射线粉末衍射来解决上述问题，并在铝和硅的K边能量以下收集了衍射数据。而这其中，仍然少不了由曾适之教授领衔的同步加速器实验室英国钻石光源（Diamond Light Source）I10与I11光束线团队的身影，“针对实验装置我们共同商定进行了改造，才让本次研究得以顺利完成”。这是导师的几乎最后一份“馈赠”，也是劳子桓笃定由此捧过接力棒的传承。

人勤万象新

　　回到香港，对于劳子桓而言，既是生活环境的改变，也是又一程守正创新的开始。土壤肥沃自能枝繁叶茂，这是劳子桓回国后的第一印象。“其实我在2016年就到北京参加过国际催化大会（ICC），当时对于国内研究环境的改变和发展速度的提升都非常向往，刚好后来香港理工大学有这样的机会，我认为是时候离开英国了。”而更为重要的是，张涛院士将“单原子催化”的概念带入了劳子桓的视野。“这意味着，人们对催化的研究和理解已经深入到原子尺度，也就是以化学最小的极限尺度理解化学反应的催化机理和本质，这令我十分激动。同时，我也在思考，是否能将单原子与团簇的相关概念相结合，做出可控的团簇。”劳子桓补充道。

　　但完成目标之前，基石的稳固也是十分必要的。因此，劳子桓选择在传统化学研究领域内多向发展，2019年，他带领团队率先利用MFI分子筛骨架的结构特异性，创造性地用热重分析仪（TGA）检测到了左旋和右旋赖氨酸在分子筛中的吸脱附行为差异。在充分采用高分辨同步辐射X-射线衍射技术（SXRD）和原位SXRD-TGA的基础上，他们进一步阐述了吸附强度与立体异构吸附行为之间的关系。最后，结合SXRD结构精修和理论计算揭示了左右旋赖氨酸与分子筛骨架之间吸附结构和结合能的差异，劳子桓从原子层面揭示了造成差异化吸脱附行为的热力学原因和结构差异。相关论文发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。

　　随后，2022年，一篇发表于期刊《化学分析》（Chem Catalysis）上，题为《原子分散的三维双金属双原子催化剂及其结构描述》（Atomically dispersed 3d metal bimetallic dual-atom catalysts and classification of the structural descriptors）的学术文章将可控原子级双金属催化剂变为可能。通过系列严谨的表征研究，劳子桓及其研究团队不仅实现了超氧歧化酶（SOD）结构上的高度模拟，同时证实了其催化的反应活性可比拟天然生物酶。

　　“天然生物酶在温和条件下表现出的优越反应活性及产物选择性，一直受到化学和材料的广泛关注。不同于均相催化剂的合成，要想在固体催化剂上实现金属位点配位环境及位点分布的高度均一性还存在一定的难度。虽然我们组之前已经解析了单、双和三核铜氧团簇在甲酸分解产物的选择催化反应上的活性和选择性差异，但彼时仍存在许多悬而未决的问题。”但眼下，情况显然已经悄然发生了转变。

　　据悉，单原子催化剂均一的活性位点通常表现出高选择性。作为单原子催化剂的直接衍生物，低核数负载型团簇催化剂已成为一类极具前景的催化材料。理论上，这类材料能有效桥接传统纳米材料与原子/分子物种，推动负载型催化剂向分子前沿发展。然而，该如何精准合成并表征不同核数的原子级催化剂，一直是业界攻克的重难点。

　　在这样的大势之下，2025年，也是劳子桓攻克单原子催化机理的第十个年头，书桌上没有虚度的光阴，分秒中都蕴含着量级的突破——联合牛津大学等单位的研究团队，他们共同结合同步辐射与球差扫描透射电镜等多模态表征技术对催化剂结构进行了原子级解析，首次在ZSM-5分子筛孔道中“调配”三原子铜团簇（Cu3），将目光从“尺寸效应”成功聚焦到“核数效应”。“传统催化剂研究聚焦纳米颗粒的‘尺寸效应’，但随着催化活性中心缩小至原子级（如单原子、双原子催化剂），其化学物理性质会发生剧烈变化，这种变化直接取决于活性位点的原子数目——即‘核数效应’。”劳子桓补充道。同时，依托2025年度国家自然科学基金青年科学基金（B类）的支持，他还带领团队在分子筛界面与构效关系之间扎下根去，致力探寻同步辐射SXRD新方法，以实现分子筛B酸位点原子级精准表征。眼下，他正忙于解释工业甲醇制烯烃工艺中诱导期的原因，同时原位观测八元环孔道口动态修饰，力争限域高碳烯烃并提升乙烯/丙烯选择性。