本报记者 李祺瑶
“一声惊雷过后，空气里的氮气和氧气经过一系列的反应，最终变成硝酸。硝酸随雨水落下，和土壤中的物质结合，化作植物可吸收的氮肥。一百多年前，哈伯由于发现氮气可以和氢气合成氨气，开创了人工合成氮肥的全新历程……”
在北京大学化学与分子工程学院，专为大一新生开设的“今日化学”讲座课上，一位身材高大、言语风趣的老师，将催化现象的历史与前沿，用生动易懂的语言描绘出来。
他就是新晋中国科学院院士、北大化学与分子工程学院教授马丁。
在化学圈，他是敢于探索“无人区”的领军人——深耕多相催化领域十余载，破解“铁基费托合成”高碳排放难题，实现近乎零碳的绿色制氢技术，创造了连续两天在《自然》和《科学》杂志上发表成果的学术佳话；在生活中，他对化学之外的“风景”也充满热情，带着课题组登山、骑行，行万里路，打破思维茧房，从兴趣中收获更多科研灵感。
对这位高产科学家来说，严肃的科学与多彩的生活从不矛盾，它们相互催化，激发着科学创新的无限可能。
展开剩余89%马丁在实验室操作反应器。
1 探路“氢能制备”
马丁的办公室布置得与众不同——还未进门，就会被墙上挂着的一幅海报吸引。画面上骑行者的背影向着夕阳染红的山路前行，下方写着一行英文：“Let's run away（让我们奔向远方）”。
骑行是马丁课题组的共同爱好，采访也就自然从“骑行”说起。
他指了指身旁的山地车，打了个形象的比喻：“我们的研究领域是多相催化。这就好比，一开始我们要骑行翻过海淀西山才能到达山另一侧的温泉镇，很艰辛。但有了催化剂后，我们就不必翻山越岭，省下体力能耗。”
多相催化反应被誉为现代化学工业的“魔法引擎”——它让化学反应在催化剂表面高效发生，是合成材料、生产燃料、净化环境的核心技术。
催化研究常被比作“黑箱探秘”，科研人员在千百次尝试中“摸”到一次成功的反应，设计出新的催化剂，却往往难以洞悉内在机理。
“我们不仅要知道催化剂如何工作，更要在分子和原子层面精准了解微观反应过程，从而设计出‘多边形’催化剂。”马丁解释。事实上，这正是全球能源转型面临的迫切课题。开发高活性、高选择性和耐用性催化剂，是实现绿色低成本能源化工的关键。
马丁第一次接触多相催化研究是在读本科时。“当时，我跟着导师进行甲烷部分氧化制备合成气的催化剂研究，希望找到一种更高性能的催化剂，可以既稳定又高效地把甲烷转化为合成气。”第一次参与科研项目的兴奋，他至今仍记忆犹新，“我和师兄尝试了数十种配方，做了大量实验，还真找到了一种催化剂。毕业设计时，我还做了长达1000小时的稳定性评价实验。”实验顺利完成，马丁完全没感觉到累，反而觉得做科研很有意思。
由此，马丁踏上了探究多相催化领域的道路。
从在中国科学院大连化学物理研究所获得博士学位，到出国从事博士后研究工作，再到2009年进入北京大学，马丁一直专注于多相催化研究。随着学习和研究的深入，马丁愈发喜欢“老本行”，他希望自己能做更有特色的科学，也希望发现催化剂促进化学反应快速进行的根本原因。
2014年，马丁的目光投向氢气制备。彼时，氢能领域研究者寥寥。产氢用何种媒介、什么样的催化剂，如何控制反应过程，从而促进氢气储存和释放反应时的各种性能？他觉得这是个“很有未来”的科学问题。聚焦水分子活化和高效催化产氢的科学本质，他带领团队展开了多路径的大胆探索。
氢是一种能量密度很高的清洁可再生能源，但其存储和运输的难题一直以来都是阻碍氢能大规模应用的瓶颈。
很快，马丁注意到甲醇的潜在氢能应用前景。“甲醇能量密度高，作为氢的介质最为可行。”他介绍，一种可能的解决方案是将氢气存储于液体甲醇中，通过水和甲醇的重整反应原位产氢供燃料电池使用。但是，氢气化学性质活泼，传统的甲醇蒸汽重整操作需要在200℃至350℃的高温下进行，如果要让氢燃料电池更好地在实际生活中应用，就必须改进甲醇和水的重整产氢反应，“这就需要一种能高效活化水和甲醇的催化剂。”
科研突破是无数次失败中为数不多的成功。
2017年，马丁带领团队终于创新性地开发出铂-碳化钼双功能催化剂，成功在低温下实现从甲醇和一氧化碳出发的高效制氢，该成果当年入选“中国科学十大进展”。2021年，团队再次取得关键进展，创制了全球首例兼具超高活性与超长稳定性的水气变换制氢催化剂，相关研究成果于2023年获得国家自然科学奖二等奖。
2 勇攀学术高峰
做科研要敢啃硬骨头，但马丁认为，不是所有的硬骨头都值得啃，“要解决时代赋予我们的、需要解决的重要科学问题。”
随着全球能源转型成为人类共同面临的迫切课题，我国提出了“双碳”目标，马丁将科研目光精准投向相关领域。近年来，他带领团队逐渐凝练出核心攻关方向——破解氢能制备难题、重塑碳循环路径、推动废塑料资源化。
在制氢领域，催化剂的“高活性”与“高稳定性”难以兼得，一直是科学家面临的核心挑战之一。
在前期的研究中，课题组发现，贵金属铂与碳化钼、氮化钼等活性载体构建的界面催化体系可以在较低温度下制氢。然而，由于这类活性载体在水环境中极易被氧化，催化中心的结构稳定性受到严重制约，最终会导致催化剂快速失效。这也成为限制其工业化应用的主要瓶颈。
为此，马丁提出一种两者兼顾的催化剂稳定策略：在催化剂表面构筑惰性稀土氧化物的纳米覆盖层，形成纳米尺度的“保护盾”，以保护界面催化结构，并在不影响界面结构超高催化活性的前提下提升催化剂稳定性。“这就像给一把锋利的菜刀穿上一件特殊的防护衣，防锈耐损，延长其使用寿命。”
四五年间，马丁和团队在一次次“翻车”中不断试错，不断调整前行的方向。
他常常鼓励团队成员：“做科研的过程就像是爬山，在登顶之前，需要不停地攀登。登顶之时，山峰在脚下，种种辛苦也都过去了。”朴实的话语，透着一丝不苟、追求极致的劲头。
最终，根据实验结果，新型催化剂在制氢反应中展现出超过1000小时的稳定性。同时，催化剂还实现了超过1500万的催化转化数，保持了超高活性，创造了甲醇-水制氢催化反应的最高纪录。该研究还找到了界面催化剂稳定性的“通用密码”。团队发现，这一高活性产氢催化剂稳定策略在钇、镨等稀土元素以及钙、锶等廉价金属中，均可能实现类似效果，有机会应用在更多高性能催化剂设计中。
2025年2月13日，相关研究成果登上《自然》杂志。
“这项研究在投稿过程中被拒了3次，审稿周期历时一年半，对团队来说，这是极大的考验。”马丁回忆，尽管困难重重，但大家都没有放弃，在回答审稿意见的过程中，补充了大量的实验，拿出更扎实可靠的数据和科学解释，最终获得了审稿人的认可，“更幸运的是，我们在回答审稿意见所做的实验中，发现了更好的催化剂体系。目前，新的研究工作也已经基本完成，我们正在整理相关成果。”
2025年2月14日，马丁课题组的另一项制氢领域突破性成果在《科学》杂志发表，聚焦“乙醇-水重整制氢技术”零碳排放。该研究基于团队在金属-碳化钼催化剂体系10余年的积累，创新提出双金属-碳化钼体系“选择性部分重整”制氢新技术，实现在温和条件下高通量制备氢气，同时达到二氧化碳零排放。
连续两天在国际顶级期刊发表重磅研究成果，这两项互补的技术路径，为绿色氢能的大规模应用奠定了坚实基础。
3 破解“百年难题”
百万分之一的不同，能为碳减排带来什么？
2025年10月末，马丁课题组又一项围绕碳排放问题的突破性成果在《科学》杂志发表，破解了困扰全球化工界的百年难题。
“化石能源是人类工业发展的重要动力。从矿场到工厂，化石能源要经历多个处理环节。费托合成就是其中一项关键工艺。”马丁介绍，费托合成多用于将合成气转化为液体燃料或烯烃等高值化学品。一直以来，该技术主要采用的铁基催化剂，占据了全球三分之二以上的费托合成产能。然而，这项技术最大的短板就是会在反应过程中产生大量二氧化碳，产率常高达30%，导致碳资源浪费。
马丁团队和合作者提出了一种全新思路：在反应气体中，加入百万分之一浓度的卤素化合物，“就像在烹饪中加入一滴‘分子级调味料’。”他形象地比喻，微小的添加量，可以带来巨大的反应差异：研究发现，这些卤素分子在反应中以“动态调控者”身份存在，在铁基催化剂表面不断吸附、解离、再结合，像“电子开关”一样调节催化剂的表面状态，阻断催化剂表面的水分子活化，从而阻断一氧化碳和水生成二氧化碳。同时，该策略还能防止烃类过度氢化，使更多碳原子用于生成烯烃。
“这项重要成果其实来源于一次实验中的意外发现。”马丁说，团队成员在例行实验中发现，某一次反应过程中的数据出现异常，二氧化碳的选择性降到了个位数，“基于这个异常现象，我们迅速开展了探究，最后发现是装合成气的钢瓶中，掺杂了百万分之一的含卤素化合物。正是这百万分之一的‘污染’，改变了催化剂在反应条件下的表面结构，从而改变了整个催化剂的反应性能。”
马丁敏锐地意识到，这一发现非常重要，于是带领团队加班加点，仅用不到一年的时间就完成了实验，对卤素分子在催化反应中的作用机制有了充分认识。研究表明，通过向铁基费托合成反应气体中添加百万分之一浓度的卤素化合物，团队成功将二氧化碳副产物从传统工艺的30%左右降至1%以下，实现“近零碳排放”，同时将高附加值烯烃产率提升至85%以上。这项技术破解了费托合成高碳排放难题，为我国在“双碳”目标下推动煤、天然气、生物质等碳资源的绿色转化提供了新路径。
“投稿很顺利，从接收到发表仅用了两个月，堪称一次漂亮的‘冲刺’。”他兴奋地说，铁催化剂上的费托合成技术已有100年的历史，国内外科学家开展了长期的深入研究，“虽然新的研究成果源于实验室里的一次偶然发现，但成果迅速发表，也是基于团队在费托合成反应领域长达十几年的研究积累。”
只要甘坐冷板凳、敢啃硬骨头，终会迎来柳暗花明的那一刻。
4 “催化”多面人生
正如催化反应需要介质，科学灵感也需要碰撞。
在北大化学与分子工程学院，马丁常穿着休闲服和牛仔裤，和学生们打成一片。教室内、楼道里，无论是不是课题组里的学生，他都会兴致勃勃地聊上几句。
课题组里，团队成员轮流分享进展，不同方向的想法常常互相“催化”。马丁就坐在大家中间，每当捕捉到值得深入讨论的亮点，他便兴奋地站起来，大步流星走到台前和成员互动探讨。讲到多相催化领域的几个重点研究方向，他洋洋洒洒的讲述，远超一篇文献的容量。
马丁形容团队的风格是“团结紧张，严肃活泼”。“在多相催化的总体框架下，大家结合自身兴趣选定不同方向开展研究，待在实验室的时间相对灵活。”马丁笑着说，他完全信任大家的自驱力，推进关键问题时，随时可以来一场高强度的深入讨论，“登上一座山后，意味着前方还有山要爬。我和学生们都很享受思维交流、互相催化的过程。”
对马丁而言，教学也是另一种形式的催化反应。在“今日化学”系列讲座课中，他认真准备每一节内容。“每次都会更新些前沿的、有意思的内容，希望早些激发年轻人对科学的兴趣。”他略带狡黠地一笑，“当然如果能吸引一些学生加入课题组，那就更好了！”
马丁惊喜地发现，即便是大一新生的想法，也会与顶级期刊上的思路不谋而合。对于学生天马行空的研究雏形，他相当珍视，“很多点子都能启发到我。”
实验室之外，马丁还拥有多面人生。
翻开他的朋友圈，最常见的是九宫格图。日常工作之余漫步校园，未名湖的四季在他的镜头下别具韵味，配文简洁明了：“走一圈”。带着学生前往欧洲实验室科研交流的间隙，他在城市公园里跑步，在高原地区挑战10公里，配文依然简洁明了：“跑一圈”。
“不可能一天到晚都在做化学，要跳出化学领域看世界，理解这个世界。”在马丁看来，兴趣与科研相辅相成，“每个人术业有专攻，但兴趣爱好亦是人生风景。”
马丁课题组的网页主页上，每半年拍摄一次的“全家福”记录着团队的成长。校园美景里，马丁习惯站在人群边缘，与学生一同爽朗大笑。师生一同外出参加学术会议间隙的生活，也被记录下来。有一年，在云南大理开会期间，正逢采茶时节，马丁带着学生一同去山间采茶，又向茶农请教学习制茶。学生亲手烘焙的茶叶，现在还珍藏在他办公室的玻璃罐里。
“一天到晚坐在实验室里，不会有灵感，只会因为闭塞、不交流而头脑枯竭。我喜欢和学生们一起徒步、骑行、爬山。在祖国的大好河山和壮丽景象中，身体得到了锻炼，心情得到了放松，生活增加了趣味，科学的灵感也随之而来。”
这也是马丁为人处世的哲学——张弛有度的状态下，方能有所突破创造。
如今在线股票炒股配资，站在科学高峰，马丁依然保持着最初的那份好奇心。催化不仅是改变反应路径的科学，也是探索大千世界的桥梁。每一次实验，每一次远行，都在催生新的可能。
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