专访张如范｜从基础到应用——纳米材料的化学产品工程

清华大学化学工程系张如范在超长碳纳米管的可控合成与性能研究、辐射制冷材料的理性设计与工程化探索、高性能电致变色材料的构筑、锌空电池催化剂的电子结构调控等领域取得多项突破性成果。近日，《科技导报》就碳纳米材料可控制备、光热调控技术机理、材料批量制备核心挑战等专业问题，对张如范进行了深度专访。

张如范曾多次公开强调一个理念：“制备决定未来”——材料的发现只是第一步，真正定义其价值的，是能否在可控、可重复、可放大的尺度上实现制备。在他看来，当前纳米材料领域最根本的制约，不在于“想得到什么性能”，而在于“做得出什么材料”，这需要引入化学产品工程的视角。化学产品工程是以目标化学产品的性能为导向，融合分子－介观－设备－过程多尺度，从分子设计、配方构建、加工制造到产品使用性能全链条，设计、开发与生产满足特定功能需求的化学产品的工程学科，属于化学工程学科的一个新兴分支学科。本次专访围绕这一判断展开。

张如范

清华大学化学工程系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次青年人才计划入选者。

问：您一直强调“制备决定未来”是功能纳米材料研究的核心理念。当前这一领域的材料制备研究主要聚焦哪些方向？各自着力解决的核心科学问题是什么？

答：我们团队的高性能功能纳米材料的制备与应用研究，目前主要聚焦三个方向：

一是碳纳米管及其功能纤维的可控制备与应用，其核心科学问题是：如何实现碳纳米管长度、手性、取向的精准调控，并在此基础上构建宏观尺度下仍能保持单根碳纳米管优异性能的纤维材料。超长碳纳米管生长过程中催化剂活性随时间衰减的机制、碳纳米管间范德华力在纤维组装中的协同与竞争关系，是制约性能提升的关键瓶颈。

二是高性能光热调控材料的可控制备与应用，其核心科学问题是：如何通过微纳结构设计实现对太阳光谱（0.3～2.5 μm）与中红外热辐射（8～13 μm）的选择性精准调控。这涉及米氏散射理论的工程化应用、多层膜结构的光学干涉设计，以及材料本征吸收边带的调控等多个层面的协同优化。

三是面向锌空气电池的高性能催化剂的可控制备与应用，其核心科学问题是：如何通过电子结构与几何结构的协同设计，开发同时具有高氧还原（ORR）和氧析出（OER）双功能催化活性和优异稳定性的非贵金属催化剂，并理解其在实际工况下的活性衰减机制。

三个方向的共同根基是纳米材料的可控制备——无论是一维碳纳米管、二维薄膜还是三维多孔催化结构，其性能的跃升最终都回归到制备过程中对原子尺度排列和介观尺度组装的控制能力。这本质上是一个共同的问题：如何跨越“微纳尺度结构设计”与“化学产品工程”之间的鸿沟。

问：碳纳米管自1991年被正式报道以来已有三十余年，但其长度和规模的突破一直是一大挑战。您在研究中实现了半米级碳纳米管的制备，这一突破在技术路径上有何创新？

答：碳纳米管生长本质上是催化化学气相沉积（CVD）过程。此前国际上的研究多聚焦于催化剂化学组成的设计，而将关注点转向反应工程层面的催化剂利用率问题，是实现长度突破的关键。

核心创新在于对催化剂活性的概率分析。在传统CVD过程中，注入反应体系的催化剂纳米颗粒仅有极低比例（约10⁻⁶～10⁻⁵量级）能够持续保持活性并生长出长碳纳米管，其余催化剂要么失活、要么因聚并而失效。通过调控催化剂注入方式与反应条件，可将催化剂活性概率提升2～3个数量级，从而实现碳纳米管长度的数量级突破。

问：超长碳纳米管的批量制备目前面临哪些关键技术瓶颈？这些瓶颈在科学上分属哪些层次？

答：超长碳纳米管从实验室的“单根突破”走向工程化的“批量制备”，面临三大核心瓶颈：

第一，催化剂活性寿命问题。在CVD过程中，催化剂纳米颗粒在高温下会发生奥斯特瓦尔德熟化和迁移聚并，导致活性位点数量随反应时间指数衰减。目前实验室条件下，催化剂有效活性时间仅数十至数百秒，远不足以支撑工业级连续生产。

第二，手性选择性控制问题。不同手性的碳纳米管呈现金属性或半导体性，其电学性能差异巨大。目前尚无法在生长过程中对手性进行精准筛选，产物往往是金属性与半导体性碳纳米管的混合物。这对于碳基集成电路等应用构成了根本性障碍。

第三，宏观组装中的性能衰退问题。单根碳纳米管的抗拉强度可达100 GPa以上，但将其组装为宏观纤维后，由于管间载荷传递效率有限，实测强度往往仅及单管的十分之一甚至更低。如何在宏观尺度上保留单根碳纳米管的力学优势，是一个涉及界面工程与组装力学的复合难题。

这三个瓶颈对应着三个层次的科学问题：原子尺度（手性）、介观尺度（催化剂演化）、宏观尺度（组装力学）。只有打通这三个尺度之间的内在关联，才能真正实现碳纳米管的工程化应用。

问：近年来，辐射制冷技术因其“零能耗降温”的特性受到广泛关注。从光学设计的角度看，实现高效被动降温的核心原理是什么？当前的技术瓶颈在哪里？

答：辐射制冷的物理基础是利用大气层在8～13 μm波段存在的高透过率窗口（“大气窗口”），将地表物体的热量以热辐射形式直接散逸至约-270°C的外太空。关键科学问题在于：如何让一个材料同时做到“高太阳光反射”与“高中红外发射”——前者避免太阳辐照加热，后者保障散热效率。这两个需求在光谱上相隔数个倍频程，需要在不同尺度上进行独立的微纳结构设计。

辐射冷却材料的设计思路是：利用米氏散射理论，通过介质颗粒的尺寸调控实现选择性散射——颗粒尺寸与紫外－可见光波长匹配时产生强散射，从而在太阳波段实现高反射率；同时在材料分子层面利用一些化学键的固有振动吸收，在大气窗口波段实现高发射率。

当前的核心挑战在于材料结构设计和光谱设计的精准性与材料规模制备的平衡。理想的辐射制冷材料需要在0.3～2.5 μm波段反射率接近100%、在8～13 μm波段发射率接近100%，而自然界中极少有材料天生具备这种“光谱选择性”。人工微纳结构可以实现这种材料结构设计和光谱设计的精准性，但如何实现此类材料设计的普适性和可行性，以及如何降低规模化制备成本，仍是有待突破的关键问题。

问：电致变色材料在智能窗领域被认为具有巨大的建筑节能潜力。该领域目前的技术瓶颈主要体现在哪些方面？

答：电致变色材料在外加电场作用下发生可逆的光学性质变化，在建筑节能智能窗、汽车防眩后视镜、柔性显示等领域具有重要应用前景。

该领域的核心技术路径集中在多尺度结构设计——从分子层面的氧化还原活性中心设计，到纳米尺度离子传输通道的构筑，再到宏观器件的多层膜结构优化。实现快速响应、高着色效率与长循环寿命的协同优化，仍是一个具有挑战性的课题。

该领域的主要技术瓶颈可归结为“三高三低”的矛盾：高光学调制幅度与高响应速度难以兼得，高循环稳定性与低驱动电压难以兼顾。此外，大面积器件的均匀性制备、柔性衬底上的可靠性，也是从实验室走向产业化必须跨越的门槛。

值得注意的是，电致变色智能窗与辐射制冷材料在科学逻辑上是相通的——都是在不同尺度上实现对光与热的人为驾驭。这种从“被动响应”到“主动调控”的跃升，是光热调控技术从基础研究走向智能应用的关键一步。

问：锌空气电池因其高达1084 Wh/kg的理论能量密度而被视为下一代储能技术的有力竞争者，但其商业化进程一直受限于催化剂性能。该领域当前的核心突破与关键瓶颈分别是什么？

答：锌空气电池的商业化受限于空气正极上氧还原与氧析出反应的动力学迟缓。理想的催化剂需要同时具备ORR和OER双功能活性，且在实际工况下保持长期稳定性。

该方向的核心突破在于催化剂电子结构与微纳尺度几何结构的协同调控策略。具体而言，通过杂原子掺杂调控碳基催化剂的电荷分布与自旋态，优化反应中间体的吸附能；同时构建多级孔结构以暴露更多活性位点并强化传质。近期在J.Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed上报道的工作中，实现了在碱性介质中优于商业Pt/C+IrO₂混合催化剂的双功能性能。

但从实验室小尺寸电池到真正可产业化的锌空气电池器件，还有很长的路要走。催化剂的稳定性——尤其是上千小时级别充放电循环中的活性保持——是当前最棘手的问题之一。这再次印证了贯穿该领域研究的一个基本判断：材料的本征性能只是起点，制备的可靠性才是决定其能否落地的关键。

问：从当前技术发展的阶段来看，碳纳米材料与光热调控领域未来3～5年最值得关注的研究方向有哪些？

答：有三个方向将是主要的研究焦点：

其一，碳纳米管的结构可控制备。具体而言，是特定手性碳纳米管的选择性生长与超长碳纳米管的连续化批量制备。前者关乎碳基电子学能否真正落地，后者关乎超强纤维能否走出实验室。这两个问题的解决都需要对生长机理有更深刻的理解，尤其是催化剂－碳管界面的原子尺度演化过程。

其二，更多种辐射制冷材料的规模化制备。当前多数辐射制冷研究尚停留在实验室的光谱表征与简单的户外降温测试阶段。未来3～5年，如何根据不同的应用场景（建筑、人体、汽车、户外设备）进行材料的定制化设计，并解决耐久性、可规模化制备等问题，将是产业化前夜必须迈过的门槛。

其三，基于非贵金属催化剂的高性能锌空电池的规模制备与应用。目前用于锌空电池的非贵金属催化剂的活性和稳定性等综合性能普遍弱于贵金属催化剂，但贵金属催化剂则面临资源稀缺和价格昂贵的问题，这严重限制了锌空电池的实际应用。因此，未来的研究重点是如何实现非贵金属催化剂性能的提升，并加速基于非贵金属催化剂的高性能锌空电池的规模制备和应用。

这三个方向的共同特征是从“能不能做出来”转向“能不能可控地、规模化地、场景化地做出来”——这标志着纳米材料研究正在从实验室探索期进入工程化攻坚期。

问：您多次提到化工学科为纳米材料研究提供了独特的视角。从“三传一反”的学科底层逻辑来看，“制备科学”在碳纳米材料研究中究竟扮演着怎样的角色？

答：这是一个非常本质的问题。化工学科的核心思维是“三传一反”——动量传递、热量传递、质量传递与化学反应工程。当这些原理被投射到纳米材料的合成中时，很多纯粹从材料科学或凝聚态物理视角难以察觉的问题，恰恰是制约突破的关键。

以碳纳米管的CVD生长为例：从化工的视角来看，这本质上是一个气固相催化反应过程——碳源气体在催化剂表面裂解、碳原子扩散并析出为石墨烯层。反应器中的温度场分布、碳源分压的时空变化、气体在催化剂表面的扩散传质，这些化工基本问题直接决定了碳纳米管的生长速率、长度和质量。如果只关注催化剂的化学组成而忽略反应工程条件，就难以实现从“一根”到“一炉”的跨越。

同理，辐射制冷材料中的多层膜结构制备，涉及到涂布过程中的流变学与干燥动力学；锌空电池气体扩散电极的设计，则关乎多相界面的传质与反应耦合。这些问题的本质，无一不是化工学科的核心命题。

“制备决定未来”——这句话的科学内涵是：材料的发现只是第一步，真正定义其价值的，是能否在可控、可重复、可放大的尺度上将原子尺度的优异性能完整地“翻译”为宏观工程性能。这正是化工学科在纳米材料研究中所扮演的不可替代的角色——作为从微观机理通往宏观应用的桥梁。

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