4月22日，第56個世界地球日，再次聚焦人類對守護地球的深切期盼和主動探索——在科技創(chuàng)新前沿的深圳，清華大學深圳國際研究生院(簡稱“清華SIGS”)以材料研究院牽頭，新材料新能源研發(fā)團隊圍繞“頂天立地”的科研理念，深耕先進能源材料與器件、低維材料與器件、生物醫(yī)用材料與器件等關鍵領域，從工業(yè)廢水“變廢為寶”到退役電池“起死回生”，從陽光高效轉(zhuǎn)化為電能到綠氫規(guī)模化生產(chǎn)，從水污染精準治理到環(huán)境友好型抗菌材料研發(fā)……清華SIGS材料學科正在以創(chuàng)新科技守護地球生態(tài)，為地球的可持續(xù)發(fā)展提供“清華方案”，以科技守護藍色星球 。

　　轉(zhuǎn)“危”為“氨”：地球工業(yè)廢水的“魔法革命”

　　在現(xiàn)代工業(yè)高速發(fā)展的背景下，光伏制造、核工業(yè)等生產(chǎn)排放的高濃度硝酸鹽廢水，已成為生態(tài)環(huán)境的一大挑戰(zhàn)，為了使工業(yè)廢水轉(zhuǎn)“危”為“氨”，劉碧錄教授團隊通過電催化硝酸根還原手段(NO3RR)，開發(fā)了一種大電流硝酸鹽廢水制氨技術(shù)，能同時實現(xiàn)“廢水處理”與“資源回收”。該團隊自主研發(fā)的富晶界銅納米片催化劑，在常溫常壓下能夠?qū)U水中的硝酸鹽污染物轉(zhuǎn)化為氨及其高附加值化學品。此外，該團隊構(gòu)建的模塊化光伏驅(qū)動的硝酸鹽制氨系統(tǒng)，集成了光伏電源、廢水預處理、膜電極電堆、氨回收等子系統(tǒng)，1小時內(nèi)就可將硝酸鹽濃度降低三個數(shù)量級，并回收克級氯化銨，實現(xiàn)氮資源的可持續(xù)循環(huán)，為工業(yè)脫氮與氮循環(huán)經(jīng)濟開辟了新路徑，也為地球生態(tài)環(huán)境的修復和高值化學品電合成提供了新范式。

　　變“廢”為“寶”：為電池循環(huán)注入“綠色動能”

　　近年來隨著新能源產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式發(fā)展，鋰電池的使用量與報廢量與日俱增，面對2030年中國將達350萬噸退役電池的“城市礦山”，周光敏副教授團隊首創(chuàng)的“直接回收技術(shù)”顛覆傳統(tǒng)工藝，能夠變“廢”為“寶”——通過精準修復失效正極材料，團隊規(guī)避了強酸、強堿試劑的使用，使回收率得到大幅提升。 目前，該課題組著力推進的失效正極材料，正在深圳市龍崗區(qū)打造中試場地，并已建成100公斤級的正極材料再生示范線，年處理量達到10噸級別，回收產(chǎn)物的性能基本已達到同類商業(yè)材料水平。這項“無需分解、直接回收”的技術(shù)，讓鋰、鈷等重要資源“浴火重生”，為電池產(chǎn)業(yè)的循環(huán)注入“綠色動能”。

　　追“光”逐“電”：打造地球清潔能源的“采集站”

　　隨著新能源產(chǎn)業(yè)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，人們對能量轉(zhuǎn)換器件的性能提出了更高要求。當傳統(tǒng)光伏遭遇剛性限制，韋國丹副教授團隊聚焦太陽能電池的材料開發(fā)和器件制備，致力于將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔能源電能的高效率器件制備——讓建筑“自己發(fā)電”。 該團隊聚焦第三代光伏材料研發(fā)，在新型鈣鈦礦、有機半導體薄膜太陽能電池領域?qū)崿F(xiàn)了關鍵突破。其通過自主研發(fā)的“化學鍵管理技術(shù)”，能將新開發(fā)的薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提升至25.4%(實驗室數(shù)據(jù))，使未封裝器件在連續(xù)照明條件下，保存超過350小時后，仍保持90%的初始PCE，有望打破該技術(shù)路線的產(chǎn)業(yè)化瓶頸。此外，新開發(fā)的薄膜太陽能電池，正突破傳統(tǒng)硅基光伏的邊界，讓光伏設備從笨重的“工業(yè)組件”蛻變?yōu)椴Ａ粔?、帳篷篷布，甚至手機屏幕的“隱形發(fā)電層”，為太陽能電池的轉(zhuǎn)型按下“加速鍵”。未來，陽光所至之處，皆有望成為清潔能源的“采集站” 。

　　“氫”啟未來：用綠氫技術(shù)破地球“能源困局”

　　在地球能源生態(tài)轉(zhuǎn)型的背景下，綠氫作為零碳能源載體已成為實現(xiàn)碳中和目標的關鍵路徑之一。電解水制氫技術(shù)因其高效、清潔的特性，被視為規(guī)?；a(chǎn)綠氫的核心手段，但高電流密度下，氣泡干擾、催化劑失活等難題長期制約電解水技術(shù)。楊誠副教授團隊從蕨類植物的葉片中受到啟發(fā)，通過仿生設計制造出具有分級有序結(jié)構(gòu)的合金氣凝膠電極(LFA)——這種電極兼具高導電性、機械強度和催化活性，不僅顯著提升了電極在高電流密度下的催化性能和穩(wěn)定性，更為多相催化體系中的氣泡管理提供了普適性解決方案，對推進電解水制氫等新能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

楊誠團隊研發(fā)出具有優(yōu)異傳質(zhì)能力的蕨類電極陣列

　　以“缺陷”治“菌”：地球水安全的“隱形衛(wèi)士”

　　如何賦予原子級厚二維材料廣譜滅菌功效?雷鈺副教授團隊另辟蹊徑，通過利用氮化硼中的活性缺陷，實現(xiàn)以“缺陷”治“菌”——這種“納米刀片”材料，可物理切割細菌膜并破壞電子傳遞，對大腸桿菌等致病菌的殺滅率達99.99%，且對正常細胞毒性極低。該材料在水中穩(wěn)定分散的特性，使其可應用于污水處理、醫(yī)療器械涂層等領域，減少細菌對水體等環(huán)境的污染，實現(xiàn)污水處理以及寵物飲用水凈化，通過提升水質(zhì)減少細菌對環(huán)境的危害，成為守護地球水安全的“隱形衛(wèi)士”。