摘要：“出身双非院校，并不意味着科研之路无望。我希望自己的经历能给那些尚在迷茫中的年轻人带来一些启发和勇气。”近期在Nature发表一作论文的刘鑫如是说。

“出身双非院校，并不意味着科研之路无望。我希望自己的经历能给那些尚在迷茫中的年轻人带来一些启发和勇气。”近期在 Nature 发表一作论文的刘鑫如是说。

从最初的踌躇满志，到一步步攀登学术高峰，他的求学之路步步高升——本科就读于重庆科技大学，硕士深造于昆明理工大学，博士阶段前往德国莱布尼兹催化研究所，最终在美国科罗拉多州立大学从事博士后研究。如今，他正在寻找教职。

图 | 刘鑫（来源：刘鑫）

而在上述研究中，刘鑫与所在团队成功开发出一种基于光催化的新方法，以用于降解被称为“永恒化学品”的全氟和多氟烷基物质（PFAS，per- and polyfluoroalkyl substances）。

由于 PFAS 分子中的碳-氟（C–F）键极为稳定，传统的处理方法往往依赖强碱、高温或高压，但这些手段不仅能耗巨大，还可能带来二次污染。

而他们的研究突破了这一难题——通过精心设计的有机光催化剂，在温和条件下，仅借助低能可见光，即可高效催化 C-F 键的断裂。

C–F 键是自然界最稳定的化学键之一，其极高的键能使其难以降解，而本研究首次在室温下利用光催化实现了这一目标。

这一突破不仅为 PFAS 的降解提供了新的可能性，同时也为深入理解 C–F 键的裂解机制开辟了全新的研究视角。

尽管目前的研究仍处于实验室阶段，距离实际应用尚需进一步优化，但这一策略已经证明，通过精准设计催化体系，有望攻克 PFAS 等高稳定性污染物的降解难题，为环境治理提供全新的解决方案。

同时，该研究也为开发更多绿色化学技术奠定了理论基础，推动了光催化领域的进一步发展。

在实际应用方面，该光催化策略最具潜力的应用场景是饮用水净化。研究表明，几乎所有饮用水中均可检测到具有潜在致癌风险的 PFAS，甚至在北极和南极等偏远地区也难以幸免。

由于 PFAS 无法自然降解，它在环境和生物体内长期累积，已成为全球高度关注的健康与环境问题。

本研究提出的光催化降解方法，则有望成为饮用水处理的一项革命性技术。未来，只需在自来水厂的现有处理工艺中增加一道光催化降解流程，便可有效去除水中的 PFAS，从而提供更加安全、纯净的饮用水。

这一方法不仅高效环保，而且具有较高的经济可行性，能够快速推广至大规模水处理系统，为全球水安全问题提供可持续的解决方案。

目前，相关论文以“Photocatalytic C–F bond activation in small molecules and polyfluoroalkyl substances”为题目发表在 Nature 上 [1]。

刘鑫是第一作者，美国科罗拉多州立大学的罗伯特·S·帕顿（Robert S. Paton）教授和加勒特·M·米亚克（Garret M. Miyake）、科罗拉多大学博尔德分校尼尔斯·达姆劳尔（Niels H. Damrauer）教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature）

PFAS：隐形的全球污染者

这项研究的缘起，源于一次偶然的契机。几年前，在美国化学会年会上，刘鑫与导师聆听了多场关于 PFAS 的报告。这些报告揭示了一个令人担忧的现实：PFAS 已成为全球化学和环境科学领域的研究热点，不仅因为它的广泛应用，更因为它对环境和人类健康的严重威胁。

PFAS 之所以备受关注，正是因为其极端稳定性，使其成为一种“永恒化学品”。它的危害可归结为以下几个方面：

1. 持久性污染

PFAS 结构中的强 C-F 键使其几乎无法在自然环境中降解，导致它们在土壤、地下水、江河湖泊甚至海洋中长期累积。更令人震惊的是，由于其高迁移性，PFAS 可以随空气和水循环传播，即使是在北极冰川、偏远高山，甚至极地生物的体内，也能检测到其存在。这使得 PFAS 的污染范围远超传统化学污染物，成为真正的全球性环境问题。

2. 生物累积与食物链污染

PFAS 进入生态系统后，会在生物体内逐步累积，并通过食物链层层放大，最终威胁顶级捕食者和人类健康。研究发现，许多野生动物体内的 PFAS 浓度已达到显著水平，影响其生存率、繁殖能力及免疫系统。对人类而言，海鲜、蔬菜、肉类等食物中都可能存在 PFAS 残留，使人们在不知不觉中受到长期暴露。

3. 水污染与饮用水安全

PFAS 也是饮用水污染的一大元凶。全球范围内的水体监测数据显示，从城市供水系统到地下水源，甚至瓶装水中，都能检测到 PFAS 的微量残留。由于传统水处理工艺（如活性炭过滤、反渗透膜）难以有效去除 PFAS，人类日常饮用的水中极可能长期含有这些化合物，对健康构成隐形威胁。

4. 人体健康风险

科学研究表明，PFAS 长期暴露可能对多个生理系统造成损害：

鉴于 PFAS 对环境和人类健康的巨大威胁，刘鑫和他的导师意识到，寻找一种高效、安全且可持续的降解方法迫在眉睫。

然而，传统的 PFAS 处理手段主要依赖于高温（>1100℃）焚烧，但这一过程可能产生有毒副产物，带来更大的环境风险。因此，该团队希望依托自身在光催化领域的研究经验，探索一种全新的绿色降解方案。

光催化：突破 PFAS 降解的瓶颈

光催化作为一种绿色化学技术，具有温和条件、高效催化、无毒副产物的优势。刘鑫与其所在团队决定围绕催化剂的设计展开突破，并在研究过程中取得了意想不到的重要发现。

他们基于课题组已有的光催化体系进行创新设计，经过多轮实验筛选后，意外发现某种特定条件下催化剂会发生微妙的结构变化。

这种变化催生了一种还原电势极低的有机光催化剂，使其在温和条件下即可高效裂解 PFAS 分子中的 C–F 键。

这一发现极具突破性——C–F 键是自然界已知最强的共价键之一，通常需要极端条件才能断裂，而他们的光催化体系首次在室温条件下实现了这一过程。

这不仅为 PFAS 降解提供了全新的可能性，也为理解 C–F 键的断裂机制提供了重要理论依据。

机理研究的挑战与坚持：尽管降解实验进展迅速，仅耗时 3 个月便取得了突破性结果，但催化反应的机理研究却异常艰难。课题组与同校的光物理研究组和理论计算组展开合作，试图解析催化剂如何激活 C–F 键。

然而，机理研究充满了争议与反复，每周的例行会议上，研究人员都会提出新的假设和修正方案，实验和计算数据常常相互矛盾，使研究进程反复推翻重来。

整个机理研究过程持续了长达 9 个月，但该团队始终未能达成最终共识。最终，三位通讯作者果断决定采用一个最具可能性的机理模型，计划通过论文投稿的审稿意见进一步完善理论框架。

从质疑到突破：坚持 1 年 8 个月的投稿之路

事实证明，这些经验丰富的教授的判断是正确的。审稿人不仅提供了宝贵的反馈，还提出了许多新的假设，引导他们不断优化研究。然而，这也意味着他们不得不经历 6 轮严苛的审稿过程，整个投稿周期长达 1 年 8 个月。

每次审稿人的反馈都详尽而犀利——3 到 4 页的修改意见，涉及实验优化、数据分析和机理解释，而他们的回应同样繁琐，每轮都需要撰写 10 到 12 页的回复信，并针对审稿人的建议开展新的实验与计算。这不仅是学术上的挑战，更是一场心理上的持久战。

在这漫长的过程中，所有参与者都感到疲惫与崩溃。刘鑫曾一度动摇，甚至考虑放弃学术道路，转向工业界。

然而，每当他陷入低谷，导师总会在关键时刻给予鼓励：“真正的科学突破，往往诞生于不断的质疑与坚持。”正是这份支持，让他重新投入战斗。

审稿人持续的质疑，反而促使他们在研究上取得了意想不到的突破。一个原本无法分离的关键中间体，在审稿人的多次建议下，通过无数次优化尝试，终于成功被分离出来。这一成果不仅为他们提出的机理提供了直接证据，也让研究迎来了决定性突破。

图丨研究团队合影（来源：刘鑫）

值得注意的是，尽管 PFAS 被视为环境化学中的“永恒污染物”，但在刘鑫及其所在团队看来，它的另一面却隐藏着极大的化学潜能。由于 PFAS 含有丰富的氟元素，本质上可以被视为一种优质的氟资源。

而在有机合成，尤其是药物化学领域，氟的引入往往能显著提高分子结构的生物活性、代谢稳定性和药效。

基于此，如何将 PFAS 从持久污染物转化为有价值的化学原料，成为他们研究的新方向。目前，他们正与世界各地的科研团队展开合作，致力于建立 PFAS 回收与再利用的完整体系。

这一项目已正式启动，目标是开发一套高效、可持续的技术，使 PFAS 不仅能被降解清除，更能被分子级别地拆解和重构，从而将其转化为药物合成、材料科学等领域所需的含氟化合物。

这一愿景远不止于污染治理，而是对 PFAS 从废弃物到资源的重新定义。他们希望，这一策略不仅能有效缓解 PFAS 的环境污染问题，更能赋予其新的价值，使曾经难以处理的工业废物成为推动绿色化学和可持续发展的新动力。

参考资料：

1.Liu, X., Sau, A., Green, A.R. et al. Photocatalytic C–F bond activation in small molecules and polyfluoroalkyl substances. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08327-7.

运营/排版：刘雅坤、何晨龙

来源：DeepTech深科技