Carbon Neutralization青年编委专访——清华大学研究员张如范

张如范，清华大学化工系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会高级会员暨第二届青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员， Carbon Neutralization青年编委。2005-2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014年博士就读于清华大学化工系，2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，取得多项突破性科研成果。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Accounts of Chemical Research、Accounts of Materials Research、Science Advances、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Optical Materials等期刊发表论文105篇。申请发明专利16项；撰写学术专著6部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。

我课题组目前主要从事高性能碳基功能材料的制备与应用研究，具体而言，有三个方面的研究工作：一、碳纳米管及其功能纤维的可控制备与应用；二、高性能光热调控材料的可控制备与应用；三、面向锌空气电池的高性能催化剂的可控制备与应用。

我认为未来的研究热点和核心问题依然是材料的可控批量制备。正所谓“制备决定未来”，材料的制备决定了它的性质和应用。例如自碳纳米管被首次报道的三十多年以来，超长碳纳米管的批量制备、特定手性碳纳米管的控制制备等难题仍然没有得到很好的解决，从而限制了碳纳米管在超强纤维、碳基集成电路等领域的应用。因此，我们会继续坚守自己的研究领域，不断攻关材料制备过程中的科学技术难题。

我们在Nature Sustainability上发表的是一项关于人体热管理的研究工作。发展低能耗的人体热管理技术对于身体健康和可持续发展至关重要。辐射制冷是一种零能耗的人体热管理技术，可以在不消耗任何能源且无温室气体排放的情况下实现炎热环境中高效的人体降温，是传统空调等制冷设备的理想替代技术。辐射制冷的原理是利用自然界的固有温差（如：人体和周围环境之间、地球和外太空之间）而形成的辐射传热来实现高效降温。若将辐射制冷技术集成到人体织物中，可以大幅度减少传统高耗能制冷设备的使用，有助于“双碳”目标的实现。现有的辐射制冷织物主要分为两类，一类是对人体热辐射高透过的织物，称之为透射型（Transmission-type）辐射制冷织物，这种织物可以使人体热量不受阻拦的发散到周围环境（通常低于体表温度）中来实现降温，适用于室内环境的辐射制冷；另一类是对人体辐射高吸收/发射的织物，称之为发射型（Emission-type）辐射制冷织物，这种织物可以先将人体热量吸收，然后通过大气层的透明窗口将之发射到寒冷（~3 K）外太空来实现高效降温，是室外环境中人体辐射制冷的理想选择。虽然上述辐射制冷织物已经取得优异的人体降温性能，但这些织物的应用场景相对单一，即无法同时在炎热的室内和室外（包括阴天和晴天）多场景中发挥人体辐射制冷作用。基于此，我们课题组与南京大学朱嘉教授联合报道了一种聚甲醛（POM）纳米织物设计，它不仅实现了大气窗口（8-13 μm）的选择性发射，而且还显示了剩余中红外波段的透射和太阳光（0.3-2.5 μm）的反射。因此，POM 纺织品可在室外（晴天和阴天条件下）和室内（比典型纺织品低 0.5-8.8 °C）实现高效的人体辐射冷却。此外，该纺织品设计显示出良好的耐磨性，用作防护服时优于商业同类产品。POM材料可提供室内和室外人体冷却，并为下一代智能纺织品和其他支持可持续发展的应用的合理设计引入了新的可能性。

此外，我们还在Nano Letters上发表了一项超长碳纳米管制备方面的工作。碳纳米管因其优异的力学、电学、热学等性能，在超强超韧纤维、下一代碳基芯片、高性能透明导电膜、智能柔性可穿戴设备等尖端领域具有广阔应用前景。碳纳米管的各项性质受到其单体长度、取向度、缺陷浓度、结晶度、手性等多方面结构因素的影响，其中单体长度对碳纳米管宏观性质的影响尤为显著。因此，提升碳纳米管的长度是优化性能和发展下游应用的关键。只有兼具厘米级以上宏观长度、高取向度、高纯度和完美结构的超长碳纳米管，才可以发挥出碳纳米管本征的优异性能。然而，在过去30多年的超长碳纳米管发展历程中，超长碳纳米管的产率非常低（超长碳纳米管在平整基底上的数量密度通常只有几十根/毫米），远远无法满足量产的要求，严重限制了超长碳纳米管的批量制备和应用开发。我们通过深入研究超长碳纳米管的生长机理，提出了一种基底拦截导向策略来实现超长碳纳米管的超高产率制备。这一策略可有效地将短碳纳米管的杂乱漂浮生长和超长碳纳米管的气流导向有序生长耦合起来，抑制催化剂颗粒在高温下的聚并，极大程度地提升催化剂利用率。从而实现宏观长度、取向均一的高密度超长碳纳米管阵列的超高产率制备。得益于基底拦截导向策略的理性设计和工艺条件的优化，超长碳纳米管的阵列密度首次提升至约6700根/mm，比传统方法至少提升2-3个数量级，且制备的超长碳纳米管还具有分米级的长度、较少的管壁数、近乎完美的结构和较高的半导体型纯度。基底拦截导向策略在硅片、石英、石英玻璃等基底上也表现出良好的普适性，并可用于制备规整的超长碳纳米管交错网络，为构建纳米电子器件提供材料基础。

Carbon Neutralization是一本聚焦于能源材料和能源技术的高质量期刊。在碳达峰与碳中和的背景下，本期刊所关注的碳排放控制、碳利用、清洁可再生能源等主题具有十分重要的意义和价值。我衷心期待Carbon Neutralization能够成为一本具有重大国际影响力的顶级期刊，能够引领能源、环境等相关领域的发展。

在职业规划方面，我觉得最重要的是结合自己的兴趣、研究背景以及国家需求，找准自己的研究领域和方向，做好阶段性的科研规划。特别是在起步阶段，要基于自己的现有基础，选准几个点，深入开展一些能够凸显自己特色、并且能够对未来产生较大影响力的研究。作为一名青年科研人员，在职业生涯的发展道路上，会面临很多的困难和挑战，甚至会面临不少的煎熬。面对这些，要永葆自己热爱科研的初心，并且培养强大的内心和平和的心态，努力修炼内功，一切都会越来越好。作为青年科研人员，会面临很多的第一次，比如，第一次申请基金、第一次指导自己的研究生、第一次组织会议等等，这些都需要克服畏惧心理，勇敢面对和尝试。对我而言，对我职业影响最大的人是我的导师，无论是博士阶段的导师还是博士后阶段的导师，他们都对我产生了非常大的影响，我对他们永怀感恩之心！

我认为科学工作者最重要的品质包括：浓厚的兴趣、独立的思考、持久的付出、敏锐的眼光。我在选择研究生的时候，主要看重他们是否对科研有浓厚的兴趣，是否有踏实肯干的精神，是否有不断学习的进取心等。我对有志从事科学研究的青年学生的建议是，百业德为首，首先要有良好的做人品德，还坚守自己对科研的兴趣，努力让自己成为一个善于学习和思考的人，培养良好的做事习惯。

作为一名青年科研人员，我在起步阶段还是将大部分精力放在了科研工作上，再努力抽出一些时间去陪伴家人。同时，教书育人也已经成为了我生活的一部分，除了与课题组同学们讨论具体的科研问题外，我也会在日常生活中关注他们的思想认知和做事习惯，并给出一些改进建议。在平时生活中我爱好读书，也经常和课题组的同学们分享我最近阅读的书籍以及我的感悟。