一次偶然實驗，中國學者發現甲醛剋星，效能高出活性炭近500倍
「如果沒有這場疫情，我們現在應該已經回到國內，推廣我們的技術了。」 劉明博士略顯遺憾地說道。
上個月，劉明在英國利物浦的研究團隊剛剛獲得由 Nature Research 評選出的 「最佳技術轉化獎」，他們的研究方向是通過設計一種叫做 「分子籠」 的新型多孔材料，來清除室內空氣汙染，尤其是令我們深惡痛絕的甲醛。
「這種材料所表現出的淨化效果相當驚人，同等質量下對甲醛的吸附效果是常規活性炭的近 500 倍。」
劉明告訴 DeepTech，通過在分子級尺度上調控孔的大小和形狀，並根據目標分子引入不同的化學官能團，「分子籠」 材料可以吸附任何常見的空氣汙染物。他也因此項技術獲得了 2016 年英國皇家化學會（RSC）創新技術一等獎。
除了捕獲空氣汙染物，「分子籠」 材料還可以被用於氣體儲存、精細化工分離、氫燃料電池中的質子交換膜，甚至還可以用來分離用於核聚變的燃料：氘和氚（兩種氫的同位素）。
圖｜通過 「分子陷阱」 捕獲空氣汙染物。（來源：Nature）
源於一次偶然的實驗
劉明長期從事功能超分子材料以及多孔材料領域的研究。在浙江大學獲得博士學位後，劉明加入了英國利物浦大學材料創新工場主任安迪 · 庫珀（Andy Cooper）教授（「分子籠」 材料領域的開創人）的課題組，從事博士後研究工作，如今他有了另外一個身份——新材料公司 CageCapture 的聯合創始人兼首席技術官。
2014 年一次偶然的機會，劉明在實驗室內受到啟發，有了用 「分子籠」 材料清除甲醛汙染的想法。「可能對於我們中國人來說，公眾普遍比較關注甲醛汙染，我以前在國內生活時，也有親戚朋友問我，‘你是從事化學研究的，有沒有一個特別好的東西可以處理甲醛汙染？’」
當時，劉明正在做另外一項實驗，他觀察到一種 「分子籠」 材料可以在溶液環境下能迅速與甲醛溶液發生反應，「我就很好奇，在氣體狀態下可不可以發生同樣效果的化學反應。」 通常在中間沒有任何媒介的情況下，固體和氣體直接發生反應是非常困難的。但經過反覆驗證和篩選後，劉明發現了一個與氣態甲醛分子反應效果非常出色的 「分子籠」。
但是，他的這一想法一開始就在團隊內部受到了很大的阻力。「因為英國民眾對於甲醛汙染的認知度還不高，沒人認為這種材料具有很好的商業前景。」 直到 2016 年，英國民眾開始更多地關注室內的空氣汙染，科學界也更多開始關注室內空氣汙染治理的研究，分子籠清除甲醛專案才開始真正受到重視和推動。憑藉出色的甲醛清除效率，技術接連獲得英國皇家化學會創新技術一等獎和 「創新英國」（Innovate UK）政府扶持基金支援，之後才有 CageCapture 的誕生。
圖｜CageCapture 部分團隊，中間為劉明。（來源：利物浦大學）
「公司是去年 9 月份註冊的，12 月份才開始正式運營，目前還處於比較早期的階段，由於團隊的規模還比較小，其實我也在擔任執行長的角色。」
劉明表示，儘管受新冠疫情的影響，CageCapture 的技術研究、產品研發進度和商業化推廣受到了較大的影響，但他們專注的方向依然很明確，即進軍室內空氣淨化市場。
他們首先瞄準的是室內甲醛汙染，尤其在中國。
甲醛是一種無色的刺激性氣體，是目前最常見的室內汙染氣體，對人的眼睛、鼻子等器官有刺激性作用，纖維板、三夾板、隔音板、保麗龍等數千種建築材料中都含有甲醛。早在 2011 年，美國國家毒理學計劃（National Toxicology Program）就將甲醛描述為 「已知的人類致癌物」，世界衛生組織（WHO）也將其定義為致癌和緻畸型物質。當室內甲醛濃度達到 0.1 ppm 時，人在其中就會面臨致病的風險，長期接觸低劑量甲醛，可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽癌、結腸癌、腦瘤和細胞核基因突變等。
「當前，全球空氣淨化器的市場規模已高達近 20 億美元。2016 年，我們委託一家諮詢公司做了一份全球空氣淨化器的市場調研報告，其中一個重要資訊是，全球 80% 的空氣淨化器消費市場在中國。可以說，中國市場的巨大需求幾乎養活了歐美的空氣淨化器企業，比如瑞典的布魯雅爾（Blueair）、英國的戴森（Dyson）、荷蘭的飛利浦（Philips）和瑞士的 IQAir 等，這些公司針對中國市場專門推出了清除甲醛的空氣淨化產品，而國外市場還沒有出現只用來清除甲醛的空氣淨化器。」
圖｜空氣淨化器市場份額分析（來源：CageCapture）
一位來自歐洲知名空氣淨化器公司的中國工程師告訴劉明，他們公司在成立後的前 20 年，一直不溫不火，但近 10 年來，由於中國市場需求的增長，公司很快就發展起來了。
如今，包括英國在內的歐美國家也更加關注室內的空氣狀況，特別是由於新冠疫情的暴發和蔓延，民眾待在室內的時間也越來越長，媒體對室內空氣汙染的報道也越來越多。「但是，相比於中國市場，歐美的市場需求還是微不足道的。」
圖｜CageCapture 發展歷史。（來源：CageCapture）
基於 「分子籠」 材料的優良的可調節性，通過幾年的研發積累，劉明團隊將這一單一應用場景技術做成了一個平臺技術。
據劉明介紹，目前他們可以通過調控分子的大小、官能團和其他一些理化性質，來捕獲不同的汙染氣體。比如，在中國和亞洲，民眾都比較關注甲醛；但在英國和瑞典，民眾可能會更關注氡氣（氡氣是除了吸菸之外引起肺癌的第二大誘因），以及吸菸產生的乙醛等有毒氣體。他們可以做到因地制宜，拓寬應用場景。
「我們想把 CageCapture 作為一個平臺技術，而不是單一技術，它有很大的潛能去處理不同汙染物。」 劉明說。
此外，他們也正在和一些汽車廠商合作，研發符合不同空氣質量標準的空氣濾網，比如在法國市場，市場需要能同時控制六大標誌性 VOCs（揮發性有機物）的濾網材料（甲醛也是其中之一）；在日本，汽車廠商開始關注汽車內的二氧化碳濃度，在長時間封閉的汽車內，較高濃度的二氧化碳也會威脅到車內乘客的健康；對於遠距離飛行的客機來說，也有同樣的清除二氧化碳的需求，因此，他們最近也收到了一家飛機制造廠商的技術開發合作協議。
效能「秒殺」 活性炭
「目前這個市場良莠不齊，儘管出現了很多不同的概念，但真正有效果或完全無毒害的產品並不多。事實上，有些產品在去除甲醛的同時，還會產生其他有害氣體或有害物，這就違背了空氣汙染治理的初衷。市場需要可以真正解決問題的技術。」 劉明說。
當前，市場上的解決方案大致上分為催化轉化和活性炭材料吸附兩種。前者是通過催化氧化的方式將甲醛轉化為無害的二氧化碳和水；活性炭則通過物理吸附的方式達到清除效果。相比於市場上的現有解決方案，分子籠材料具有選擇性好、加工效能優良和吸附效率高的優點。
圖｜「分子籠」 材料的分子模型（來源：CageCapture）
劉明表示，從技術上來講，「分子籠」 材料的一個優勢是它的選擇性很好，通過特別設計的化學官能團，可以高效地選擇性吸附甲醛分子。在有其他氣體成分、汙染氣體存在的情況下，對甲醛的吸附效率也不會受到影響，這是目前其他技術方法很難做到的。比如，活性炭在溼度比較高的環境，實際上會優先吸附水，而不是優先吸附甲醛；而且在室內溫度、溼度升高的情況下，會重新釋放已經吸附的甲醛分子，造成 「二次汙染」。
同時，由於 「分子籠」 材料是一種小的有機分子，與其他傳統的多孔材料相比，它的溶解性更好，可以在很多不同的溶劑中溶解，甚至有些也可以在水中溶解，這就使得它在工業上具有很好的加工性，可以根據實際應用需求把 「分子籠」 材料加工成不同的物理形態，如加工成薄膜，與口罩吸附層材料混合編織，抑或新增到牆體塗料和油漆中。
另外，實驗資料證明，分子籠材料有極高的吸附效率，其對甲醛的吸附效果為同等質量活性炭的 500 倍。在特定場景下，使用 「分子籠」 材料可以減少產品質量、節省更多空間。比如在汽車領域，相比於在汽車內裝上帶有幾公斤活性炭的過濾網，同等吸附效果用 「分子籠」 材料僅需數克，更加輕便。而且，如果把過濾網和過濾裝置做小後，還會減少空氣淨化器等裝置產生的噪音，降低整體能量損耗。
不止於 「消滅」甲醛
除了吸附氣體汙染物之外，「分子籠」 材料在氣體分離和儲存方面具有很好的應用前景。比如，在化工領域，利用 「分子籠」 材料將二氧化碳從其與甲烷的混合氣體中分離出來，以及對二甲苯異構體多的精細化工分離等，甚至是氫的同位素分離。
對此，劉明表示，公司成立不久，CageCapture 暫時不會迅速擴大應用場景，目前還是專注於室內空氣淨化這一應用方向。除了用在空氣淨化器中的過濾材料外，其他應用場景還包括如將分子籠材料直接與建築材料混合，從源頭上消除有害氣體，以及應用於氣體汙染物的檢測。
圖｜「分子籠」 材料的一些應用方向。（來源：CageCapture）
如今，劉明希望可以將 CageCapture 的技術和產品帶回國內。「我們製備 ‘分子籠’ 材料的主要原材料都採購自國內，而且早在 2016 年，國內就有人對我們的這個想法感興趣，因為甲醛汙染問題關乎到每個人的身體健康。我認為 CageCapture 未來應該在中國。」
但劉明也表示，他們還有很長的一段路要走。由於疫情的原因，公司的工作計劃被迫大幅延後，與汽車廠商等企業的潛在合作也受到了一些影響，實驗室目前也沒有完全開放，團隊有望在七月底開始恢復正常的研發工作。
儘管受客觀條件的限制，劉明團隊已經將由 「分子籠」 材料製備的空氣過濾網拿到汽車廠商、空氣淨化器生產商測試，結果顯示，這種材料具有非常好的清潔效果，可以在 5 分鐘內清除 82.7% 的甲醛，而且在暴露於空氣中近兩個月後，效能也沒有下降。
目前，CageCapture 實驗室的產能僅為每月 5 公斤，但劉明團隊正通過與英國國家先進製造中心（ High Value Manufacturing Catapult，CPI）合作將其產能擴大 20 倍，從而讓這一技術真正走出實驗室。
「來英國已經近十年了，總的來說，儘管英國這邊環境舒適，生活壓力小，目前有關空氣汙染治理新材料的研究也開始受到英國政府的大力支援和關注，但近年來愈發堅定了回國發展的想法。尤其是近期的中美貿易爭端，希望自己未來能夠有機會通過自己所學為祖國做貢獻，助力祖國新材料的研發和商業轉化發展。」
採訪的最後，劉明表示，儘管在英國做企業已有一段時間了，也接觸並學習到了很多先進的商業、管理經驗，但他對從事創造性的研究更有激情，更傾向回到國內高校或研究機構。當然，從另外一個角度看，有了出色的研究工作，再做進一步的技術轉化和商業化，也不衝突。
關於受訪者
劉明，2009 年獲得浙江大學化學系博士。長期從事功能超分子以及多孔材料領域的研究，在有機多孔材料的設計合成以及應用方面取得了多項重要學術成果，在包括 Science、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society 等頂級期刊上發表論文 30 餘篇。近年來，劉明的研究著重於功能導向的有機分子材料的合成及應用開發，在環境汙染控制、清潔能源等功能材料領域取得多項具有應用潛力的創新性成果。其中高效清除甲醛的分子籠材料技術已展現了巨大的產業化價值，獲得了 2016 年英國皇家化學會創新技術一等獎。劉明作為技術發明人創辦了新材料公司 CageCapture，轉化分子籠材料的相關應用成果，融得超過 50 萬英鎊的孵化基金。公司在 2019 年獲得了 「創新英國」（Innovate UK）政府扶持基金支援，2020 年入選 Nature Research 的最佳技術轉化獎（全球一共上榜 12 家公司）。
