专栏名称: 生物学霸

「生物学霸」是丁香园旗下科研资讯平台。专门为科研人员打造，致力于让科研更简单更快乐。

河南大学，首篇 Nature Catalysis

生物学霸 · 公众号 · 生物 · 2025-01-30 12:29

正文

来源：中国网、化学加

北京时间今天（1 月 21 日）零点，河南大学时新建教授团队在原位电化学领域的研究成果以题为「In situ electrochemical production of solid peroxide from urine」为题，在国际顶级期刊《自然催化》（Nature Catalysis）发表，标志着原位电催化产固体过氧化物的首次突破。该成果入选封面文章，并在 Nature 系列专栏进行热点报道 (标题：Extracting fertilizer from 『liquid gold』 urine— 从「液体黄金」尿液中提取肥料)。这是河南省首次以第一单位在该期刊上发表研究成果。

正文

长期以来，尿液处理一直是城市污水处理中最复杂的环节之一。尿液中富含的尿素是具有潜在经济价值的氮源，但现有技术由于能耗高、分离效果差且环境成本高，难以实现经济性与环保性的平衡。

为解决这一问题，河南大学时新建教授联合贾瑜教授、吕鹏博士等人合作开发了一种创新性的原位电化学技术，通过绿色低能耗的工艺，将人类和哺乳动物尿液中的尿素利用电化学反应直接转化为高纯度过碳酰胺（一种高附加值尿素衍生物），首次实现原位电催化产固体过氧化物。这一技术不仅实现了尿素的高效分离，还将「废弃物」资源化，有效提升了污水处理的经济效益与环保性能（图 1）。

图 1：新型尿素提取方法与传统方法对比。

研究团队通过精准控制反应中的活性位点和结构设计，实现了尿素的高效转化和过碳酰胺的高纯度收集。实验显示，这种技术能够在低能耗条件下实现接近 100% 的过碳酰胺纯度，并将转化效率提升至新的高度（图 2）。

图 2：结构调控与机制创新。

更重要的是，这一技术形成了一个「生产 — 利用 — 回收」的闭环模式。在转化过程中，尿液中的氮元素被高效利用，同时减少了污水处理中的能源消耗和温室气体排放。这种方法为未来城市和农村的废水处理提供了可复制、可推广的新范式（图 3）。

图 3：尿液大规模集中处理概念图。

与此同时，研究团队验证了过碳酰胺作为一种新型高附加值产物，在农业、环境治理和医疗领域具有广泛的应用潜力（图 4），此外，该路径生产成本低，市场价格具竞争力。

图 4：过碳酰胺获取过程及广泛的应用价值。

总结

该研究不仅标志着河南大学在可持续化学与资源化利用领域的重大突破，也为全球城市污水处理和资源回收提供了新的思路和视角。

河南大学时新建教授为论文第一作者，时新建教授、吕鹏博士和斯坦福大学郑晓琳教授为该论文的共同通讯作者，河南大学为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后国际交流计划项目、中国博士后科学基金项目、河南省留学人员择优资助项目的支持。

作者简介

时新建，河南大学「杰出人才特区」特聘教授。致力于光电催化方向的研究，以光能电能化学能转化、利用和存储的材料与器件为途径促进绿色低碳相关科学工作和产业的发展和提升。迄今发表包括 Nature Catalysis、Nature Communications（×3）、Chem、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Letters、Advanced Energy Materials 等综合类和专业类顶级期刊在内的学术论文共 36 篇，总引 4200 余次，H 因子 31。入选河南省高层次人才，主持国家级和省部级项目 6 项，产学研项目 2 项，并担任 Frontiers in Chemistry 期刊的副编辑、Rare Metals 编委及多个学术期刊的特刊客座编辑 (团队首页：www.pecatshi.com)。

【中国网】这是一个颇有味道的工作！—— 时新建教授专访

「有天我正在那坐着，我家泰迪熊在旁边窝里拉了泡尿，真的是『颇有味道』。我当时就在想，有没有可能结合我们催化领域的一些技术，将人类和各种动物的尿液进行处理并更好地利用起来呢？」当谈及这个工作的灵感时，时新建老师如是说。

2024 年 10 月，这篇以河南大学为主体完成的工作被《Nature　Catalysis》（《自然 · 催化》，5 年 IF47.0）接收。评委们均认为该工作开创了一个新的思维和研究角度，具有重大的意义。时新建为本工作的通讯作者兼第一作者。《自然 · 催化》每年在全世界范围内征集和发表催化相关的高水准工作 100 余篇，其中的原创研究类论文通常在几十篇左右。这是时新建入职河南大学以来的首个工作，也是其个人学术生涯的首篇通讯作者身份的工作。此外，这篇工作还创下了其他的几个「第一」。首先，该工作是河南省内高校和科研机构第一署名单位的首篇《自然 · 催化》；其次，在河大新入职的青年教师群体中，这项研究是目前唯一一个入职后首篇通讯作者工作即发表于 NS 系列核心期刊的范例，同时也是以主要工作单位发表此类期刊中用时最短的一例。作为广大普通科研工作者的一个缩影，本报对时老师进行了深度访谈，以了解该工作更多的背后故事和心路历程。以下是整理的采访过程中的具体内容。

图 1：时老师在实验室指导学生实验

问：时老师，您好。创下这么多「首个」足以看出在同样条件下获得同样成果的难度。据了解，国内在《Nature　Catalysis》这个期刊迄今发表的所有研究型论文加起来仅有百余篇，而您第一个工作成为这新增的百分之一。我们注意到，许多新入职的教师在博士或博后阶段结束后，往往会选择先积累一些较为小型的研究成果，或参与国内外成熟课题组的一些工作，以缩短成果积累周期。而我看您貌似选择的是由自己来主导「憋一个大的」，您能说说具体的想法吗？

答：我觉得这几种选择各有利弊吧。努力快速积攒出来工作是很稳妥的方式，但过于追求数量的话有时或许会影响工作的质量；跟较成熟的课题组合作有助于保证数量和质量，但有些涉及个人贡献度和参与度的问题，不利于快速形成自己的特色体系。而尝试自主做出大的工作，特别是形成一个自己的特色体系以给未来做更好的铺垫，也是个不错的选择，但是很多时候对个人的稳定发展而言也有一定的风险。综合考虑更高效地推进科学实质进展的话，对于我们在起步阶段、人手较少的时候，如果很难实现又多又精的工作产率，那追求自主地做少而精的工作或许更有意义。

问：您刚才提到尝试构建自己的特色体系，能展开说说吗？

答：有些综述论文在提到我们之前的一篇论文（Nat.Commun.，2017，8，701）时会介绍其为首个在实验上系统论证可以将水通过一些催化的技术直接转化为双氧水的工作。诚然，该工作成功地通过理论指导实验去研究发现 2e－WOR 的路径和性能调控的一些关键规律并进行有效验证，能够对后续的工作和该领域的发展提供指导和参考。但作为当事人，我知道如果从氧化水获得双氧水这个概念出发考虑，当时在国际上是有另外一个课题组在并行开展相关研究的，因而较难明确的论证其是否为首篇，即便该工作有幸获得的关注度更高。从那之后，我一直在想，能不能真正地让自己从前人从未想过的角度，去尝试做从零到一的研究。

其实，基于已经被提出来的体系去做优化，包括优化电极材料、器件里各组件等等来提升性能和稳定性，这些都十分重要，也可以发非常优质的论文。但是，尝试去开创一个小分支方向，即便在一开始并不能凸显出绝对的优势性，也同样有它的重大意义。然而，在那之后的时间里，我的一些工作，无论是偏整合我们之前系列双氧水工作的内容（Chem，2021，7，38）还是被《自然 · 催化》highlight（遴选为研究亮点）的工作（Nat.Catal.2022，5，465）其实都没有能够脱离已经熟知的体系。在我入职时，伴随着身份转变的同时，我更想趁这样的一个时机让自己对于科研的认知和思维层次发生一次蜕变，对做科研的宏观意义有更深刻的认识。因而，我强迫自己把节奏慢下来，努力让自己去积淀、去开创，将紧迫性不高的内容去次要或暂缓执行。在此背景下，我们做了这样一个工作，并希望以它作为开头形成自己的特色体系甚至开创一个新的分支方向。

图 2：时老师在办公室与学生讨论课题

问：考虑到本报道的一部分受众的背景可能来自不同行业，您能否用更生活化的语言去讲解您上面提到的一些术语和体系呢？另外能否再具体谈谈当前这个工作的细节呢？

答：我们可以用日常能够见到的白炽灯来进行理解。人们发现，在通电、并配合合适的灯芯等几个核心元素凑齐之后，我们可以获得一个能够发光的灯泡。那么基于这个白炽灯可以继续开展研究，如找寻更好的灯芯材料，找寻更便宜更环保的方式给它供能，以更优化的方式组装它等等，让它发光更强、成本更低、寿命更久，总之，可以做的内容非常多，而且这些都是非常重要的；然而，开发一种与白炽灯完全不同的新型照明技术作为迭代，对于长远发展也是非常重要的。具体说到我们的这个工作，自然界中的海水是一个在催化领域已经被广泛研究的对象，但是尿液作为人类社会绕不开的另一种常见大宗水体，在本领域研究的相对较少，因而如何更科学的处理和利用它，是个很好的课题。将里面的尿素氧化，将其转变成一些可排放的小分子物质以进行一定程度的尿液纯化是一个非常好的思路；但是尿素本身的价值很高，有没有方法能够在不破坏尿素分子的情况下，将它从尿液中原位的剥离出来呢？这样净化水质的同时，还能将尿液和尿素的价值发挥到最大，既能有利于解决环境问题，又能创造巨大的经济价值。考虑到这些点，我们在这个工作中设计了一个路径，直接将尿液中的尿素利用催化的手段分离出来。该工作既涉及科学性的技术路线，也涵盖了不少贴合生活的应用场景。

问：好的，我这里还有一些细节的问题。您刚才提到优化已知的体系与尝试开创新体系的问题，那优化已知体系的性能和效率在您看来重要性如何呢？另外，您怎么看待现存热点领域与未来新兴领域的关系呢？

答：性能对于一个体系自然是十分重要的，它一定程度上决定了这个体系的市场化前景、进而有时直接影响了大家在研究这个体系时主要的关注点。但就基础科研而言，性能并不能作为一个核心的着眼点。我们站在前人的肩膀上，努力了解这个世界的本质并加以运用，在前人的认知上能再往前推进一点点，这个过程本身就很有趣。很多时候，你并不一定要执着在性能是不是做到了最高。另外，我也不希望我的学生在讨论科学问题的时候，最后总是停留在「你做到了多少的效率，而我又做到了多少」。在基础科研之后，将所研究的体系进行产业化时，效率将会是一个很重要的衡量标准，然而也并非是唯一的考虑点。或许有些领域会更加追求像性能等一些较为固定的核心参数，但是催化这个领域，它包含了无限的可能性，只要沉下心来思考，你总能找到一个新的点去探索，这也是我热爱这个领域的一个重要原因。

关于热点领域与新兴领域，我觉得一个领域能够成为研究热点，必然是有它的现实原因和意义。成为热点后也能够引起人们更多的关注，加速解决其瓶颈问题、促进它的发展；另外，不少学术期刊也会更喜欢热点领域的文章来提高大家对该期刊的关注，因而在发论文等方面也会更有利，这通常是双赢的。不过，从人类的科研史来看，很多热点也伴随着起起落落，如果一味地追逐热点未必有利于扎实稳固的科研进展。有时候，提出一个新的问题的重要性甚至要大于解决一个问题。虽然提出和验证新的可能性所需时间周期较长，且很大概率不能马上受到业内人士关注和期刊编辑们的喜欢，因而在发文章上的「性价比」会低一些，但是作为一个科研人员，自己勇敢的尝试甚至引领一个潜在的未来热点，其价值并不亚于加入一个现有的热点所带来的红利。

问：您刚才提到将所研究的体系进行产业化的事情。您对产学研这方面也有所了解吗？

答：国家和省市以及学校都非常重视产学研持续稳定结合，鼓励将所研究的内容实用落地。我个人也在努力响应相关政策，争取做出自己的微薄贡献。目前入职两年多来我们已经与包括清越科技以及惠生集团在内的多家不同领域的企业展开深入合作，利用一些我们已经成熟的技术来分别进行双氧水的制备与产品开发，以及海水制氢与集成器件构筑。目前我们的初代产品已经面向市场，项目运作良好。未来我们还将基于当前这个尿液处理的新工作及其所形成的专利尝试进行自主产业化或协作开发。实际上，我们在这个工作里面已经加入了不少的相关内容，从各方面分析和论证其产业化潜力，使得我们的工作既有基础科研的创新性，又有较好的实用性和现实意义。

问：听说您在这个工作投入了大量的时间精力，为此时常采取十六乘七模式。您能详细说说这个过程中的一些具体的事吗？

答：精力的投入这块我觉得看具体情况吧。我所熟知的学术圈的同事朋友们都比我努力得多，也优秀得多。重要的是当你面对一个你非常感兴趣的点时，你愿意投入全部的激情去努力把它做出来，兴趣通常是做好一件事的第一驱动力。我为这项研究组建了一个工作小组，给其取名「冲鸭小分队」，里面有我的同事，还有我的学生等等，他们都是非常优秀的科研人员。这个工作能够顺利完成，离不开他们的辛勤努力。我非常喜欢我们在一起讨论问题的时刻，思维的碰撞和整合是让人很享受的过程。而且我也一直觉得，做这些工作的过程，与论文被接收的那一刻同样令人激动。

这篇工作的意义不仅仅在于它的内容或发表的结果，更主要的是它还是我首个作为核心担纲的工作。有个工作是由我来设计、我来具体做、我来整理、我来书写，一件事经历这样全套的流程下来，你会将其视作珍宝。因而，它更是我工作模式上的一个转型，这一点对我的意义更大。该工作初始阶段，我的实验室还没有成型，那就正好一边建设实验室，一边开展研究，当前工作的一些需求正好能给实验室设计方案上提供一些参考；刚入学的新生还没法独立承担这样一个大课题，那就正好边自己做实验边指导学生，用实际的课题来手把手带学生，学生的体会也会更加深刻。领导们一直在鼓励年轻人不要脱离科研一线，要多在实验室里待着，我也一直以自己的行动来贯彻它，这一点我觉得非常重要。

问：您刚才提到实验室建设的事情，听说您来之后受到很高的科研上的重视和堪称独一份的科研支持。您能否谈一下单位和个人的相互关系？

答：是的。学校和学院在场地、经费、设备及人员配置等软硬件条件上给予了大力的支持，有力地保障了科研工作的顺利开展。俗话说得好，在某种程度上，你在一个环境中的成就不仅仅取决于该环境能够提供给你的资源，更取决于你能够为该环境带来的价值。在这些支持下，我入职后首要想的就是我能给单位带来什么。因为我是做催化的嘛，所以我想，能否以我的角度，给我们的催化相关学科贡献自己的一点微薄力量，促进其学科发展。而尝试去做从零到一的突破，让我们在某些领域拥有自主的知识产权，在已有的优势研究方向下开创新的优势研究方向，进而辐射学科建设和学生教育，抓住创新的魂和进步的根，在我看来比其他策略更有长远意义。如果将这一点反映到具体的成果上面，《自然 · 催化》作为催化领域的旗舰期刊，当我了解到我们单位还没有以主要完成单位在该期刊有论文发表时，我一直把它作为非常具体的目标去努力。

当然了，发表的论文作为成果本身是次要的，「文章机器」这个词也从来不是一个单纯的褒义词。相较于简单机械地评价期刊质量或论文数量，我更希望人们关注的是我们科研工作者在尝试做一件什么样的事情，洗尽铅华后，这些可能是推动单位和个人共同前进的根本所在。

问：我听说您这个工作一开始成稿的时候有五六百幅图，加上文本共计 700 多页，当时具体情况是怎样的，后来的一路历程又是什么样的呢？

答：尿液是个庞大的研究体系，它的成分非常复杂，涉及的科学问题非常多，对其处理的过程中还存在不少互相矛盾，或者研究的参数互相干扰的情况。此外，从催化剂的设计、体系的构建、能量的转化途径、应用和回收闭环，以及现存的挑战到对其前景的展望等等涉及的细节非常多。我们这个小分队共同努力了一年半多，通过一组组的论证和对照、一项项的选择与排除、一个个的模拟与验证，尝试去理解并总结其中的一些规律。在这个过程中获得了大量的数据及其相关讨论，我们将其梳理成线，去有效地支撑整个工作。

但是，它的初始体量过于庞大，没有期刊会喜欢，大家曾建议将其在维持核心立意的高度不变的情况下，额外分出八九个工作来，这样既简洁、增加可读性，也能给我们在论文数量上「创收」。但是在我们反复讨论之后，觉得虽然这样有利于形成更多的工作，但是，我们在中间一环扣一环的逻辑论证在分开后将降低些许整体的效果，更重要的是，从向读者能够更系统地展示我们所设计的体系出发，将这个大工作分割并不利于做科研的最终目标。我时常也跟大家说，我们要追求科研目标的性价比而不是发文章的性价比，因而我们更想让它成为一个高浓缩的电影，而不是节奏相对松散的连续剧。在统一想法后，我们将这个初稿进行大幅的凝练、浓缩、删减和整合，最终形成了当前 200 多页的版本。其实该工作所花总时间中，我们有相当一部分时间在做凝练这个事情。

除了想更连贯地展示所设计的整个体系之外，考虑到这是我们团队首个工作，我们也想让这篇论文在深度和广度上不输于任何一篇优质论文。我们希望它是「因为工作做得不错所以发表好文章」，而不是「因为发表了好文章所以工作应该做得还不错」，这二者本质上是有所区别的。从一开始设计它的时候，我们并没有去刻意追求『general　and　broad　interest』，而是想把它打造成一个面向催化领域的读者们尽可能专业和有深度的工作。即便内容较多，但对于本领域的科研人员而言阅读起来并不会有什么阻碍。而且，有更充足的内容去详细展示其设计理念和可行性，也会更能引起大家的兴趣，让更多优秀的科研人员后续加入这个研究方向中来。对于以后的工作，我们的态度也是一样，希望能做一些里程碑式的工作，而不只是一个很好的顶刊但很快会被其他同样好的顶刊刷新和淹没的工作。

问：我了解到您这边还积着不少其他工作，您是想让这篇「重磅」的先出来吗？另外，对于论文被「抢发」的可能性，您是怎么考虑的呢？

答：谨慎地走好第一步棋自然是十分关键的。不过，在这个问题上我们看重的并不是要发表的期刊和内容是否重磅，而是将其设定为首个工作后，里面涉及的理念会对后续建立我们想要的整个体系所能产生的巨大意义。这个工作投出后，在该期刊近一年的审稿周期中，我们也一度犹豫过要不要同时把其他工作投出去。但考虑到有不少期刊的流程比较快，可能会比目前这一篇先出来。如果那样的话，我们论述的故事线必须有所改变，一些新的理念不能以很好的方式加进去。因而，在我和学生反复讨论后最终决定耐心等这个工作尘埃落定，把其他工作的故事线安排在这个工作之后，将所有的工作收拢到我们设计的这个大框架下，形成更有体系和特色的工作序列，让它们对于领域的发展发挥更大的价值。通过这个过程，我们也能够帮助学生建立对于科研根本意义的认知，有利于以后形成正确的科研价值观。

你提到论文被抢发的可能性，在我看来，这不应该成为一个让科研工作者过度困扰的问题。科研不单是功利性的竞争关系。站在人类共同体的角度，我们所有的科研工作者都是协作关系，谁先发出来是次要的，更重要的是确保这个新的认知是以最快的速度被全人类所共享了。如果我在做的东西被别人先发出来了，那我也可以从他那里学到新的东西，在他的基础上继续往前推进，形成科研的良性循环。而说到竞争，它带给我们的应该是督促我们去加速探索未知，提高创新性，尽可能地想别人未曾想、做别人不能做，让人类的科研进展高效地迈步前进，而不是扎堆在一些低效且机械重复的内容里，整天担心被别人抢了先，进而陷入恶性负面循环。还有一点，由于发文章本身的流程需要时间，我们看到的论文信息很多其实都是相对滞后的，这更需要我们拥有超前的思维，才能跟上节奏。总之，每个人跟自己的时间赛跑，用有限的生命创造无限的可能性，这就足够了，好运终将会降临，无须花心思在科研之外的东西上。

问：您专注于做这样一件事，它的准备周期和审稿周期都比较长，那在一开始的阶段难免会影响个人快速发展，进而可能错过一些机会和评选等。这个您是怎么认为的呢？

答：其实早在一开始入职时，我的一些朋友就曾建议我，氧化水产双氧水这个领域我占着先机，让我先基于这个角度，发表一些论文作为身份转变时的铺垫。但是我深知，想要实现真正的科技快速发展，创新的理念必须刻进每一个科研工作者的骨髓里。即便是自己去跟自己，很多时候核心层面的创新性已经不足了。目前，氧化水产双氧水这个领域也已经有不少人陆续在加入，算是个小热点了，它的后续发展是有充足保障的。而我这个人不喜欢待在舒适区里，如果让我在比较熟知的体系里、用我比较熟练的套路去开展工作，即便论文可以发得更好、更快，也并不是我想要的；反过来说，基于我之前的经验进而去闯一些相关但又不完全熟悉的方向，比较适合我爱折腾的性格。入职以后，我跟领导们汇报了我的想法，他们都很支持我的计划，愿意给予无条件的信任，这也让我开展起工作来更加有底气。

你问到人生机会这个问题，我个人觉得，人生的赛道可以很漫长，这一路上的鲜花和掌声不一定、也没必要属于特定的某个人。我的一个人生导师曾经告诉我，一切的荣誉和项目，都是为了更好地开展科研工作而服务的，不可以本末倒置。发表论文是将自己的成果共享给其他人的手段，但发论文本身不是最终的目的。公众层面需要一个较公平且易执行的评价体系来引导和激励大家，这个是非常合理的。而对于我们每个做科研的个体，我们自己对自己的工作是最为熟悉的，因而基于自己的认知选择一个可能更有利于国家和人类长远发展的探索方式，比起选择更有利于短期内自己发展的方式，或许更有意义。古人说过，为一身谋则愚，而为天下谋则智。因而我们作为起步阶段的科研工作者，既要看到它的积极意义，又要避免盲目地追求导致的焦躁影响了自己的节奏。对于我而言，过度追求短期的激励会让我做研究的理念和方式方法跑偏。因而，我经常告诫自己，不要被外界与自己科研内容无关的波澜打扰，心无旁骛的潜下心来做自己热爱的事情。

其实，从另一个角度想，不少人的学术生涯可以达到四五十年，在这个时间尺度下，很多一时的荣辱得失都会被淡化或抹平，而永远不变的，是对于科研孜孜不倦的追求。科研之路无论经过怎样的繁花似锦，最终还是要回归到科学探索本身。真正的突破不是靠资源、人力或者论文数的简单堆砌，而是需要清晰的认知和坚定的信念。因此，不如从一开始就好好地贯彻这一原则，做好一个科研工作者分内之事。我坚信，不论处在所属群体的什么位置，也不论处在个人人生的什么阶段，永远保持对于科研的初心，尽自己最大的努力发光发热，才是最关键的。我们最平凡的科研工作者们也可以拥有最崇高的梦想。

问：您说得非常好。除了梦想，还有一些现实的问题也需要考虑。现在很多「青椒」都面临岗位考核的压力，即便是不谈机会的问题，但是考核还是必须面对的。您能否谈下这方面的看法呢？

答：这个是当然的。不过考核通常是针对一个岗位所拟定的平均标准。科研是我的热爱，如果一个人投入全部的热爱尚不能满足某个岗位的这个标准，那说明可能并不适合它，也没有什么遗憾的。相反，很多事情如果盯着较低的标准去采取行动的话，有时难免会去追求短平快的路径，进而影响自己真正的发挥。所以，不如沉下心来，基于贴合自己的目标、配合适合自己的节奏去稳步前进，将我经常被人提到的所谓「名校背景」「英文水平」等转化为真正的科研上的优势，以自己的行动为人类的科研发展和技术进步做出微不足道的贡献也是极好的。当然，很多时候在你追寻梦想的同时，一些现实的考量也会水到渠成。

问：采访的最后，作为我们的通用环节，您有什么对未来的您和学生说的吗？

答：我希望我们都能够保持对科研的初心，抬头看方向，低头做科研。不贪多，不图快，不逐热点，不炒冷饭，稳扎稳打，志存高远、目标清晰、立足当下，沿着一个既定的方向坚定地走下去。在蜗牛与青蛙的故事中，踏实地做好那只蜗牛，一点点地积累、进步，或许是个不错的选择。（来源/中国网，文/张玮）

图 3：时老师在会议室与校外专家交流