尤里·罗曼（Yuriy Román）在墨西哥城长大时，还是个男孩的他就对事物如何运作充满好奇。他会到后院，把化学品混入母亲用来洗衣服的洗涤剂中，试着弄明白为什么有些组合有效，有些却不行。他的学术道路部分受到可持续发展兴趣的驱动，最终使他进入威斯康星大学麦迪逊分校詹姆斯·杜梅西教授的实验室攻读研究生。杜梅西是生物燃料和生物质化学领域的世界顶尖研究者之一。
如今，罗曼领导着麻省理工学院化学工程系的一个研究团队。他研究的核心是催化转化植物物质中不可食用的部分，如纤维素和木质素，将其转化为可用于制造燃料以及塑料、黏合剂、润滑剂、洗涤剂、肥料和药品等物质的化学品。催化剂是能够引发或加速化学反应的材料，往往是使化学过程具备工业可行性的关键。数十年来，催化剂的研发一直聚焦于提高其速度并降低成本。催化材料的活性越高，化学反应就越快；催化材料越便宜，反应最终产物的成本就越低。
然而，随着气候变化以及化石燃料经济格局的变动，世界迫切需要改变生产和使用催化剂的方式。罗曼表示，催化领域不能只关注速度和成本，还需要兼顾多功能性和效率。推动以植物而非化石燃料作为原料，意味着必须调整用于加工石化产品的催化材料，或开发全新的材料，使其能够处理生物质。罗曼说，相关过程也必须尽可能高效，以最大限度减少废弃物。“通常，当我们使用为石化产品开发的催化剂时，可以实现其中一些转化，但效果从来没有那么好，效率从来没有那么高，材料也从来没有那么稳定。”
罗曼团队近期的一项进展，是改造了一种传统工艺：它原本需要多个步骤，并使用贵金属和高压氢气，将植物物质转化为γ-戊内酯——一种用于制造燃料和聚合物的化学品。新工艺一步即可完成，不再使用贵金属和氢气。关键在于将极微量的酸嵌入一种高孔隙率材料的微观孔隙中。酸的作用免去了使用氢气的必要。
为生物质加工寻找有效催化剂的难点在于，这些过程总是涉及水，而在这种情况下，水会破坏酸。罗曼团队运用材料工程技能，调整材料的孔隙，使其具有疏水性。罗曼说：“有了这种材料，就可以在水存在的情况下开展部分化学反应——这种基于路易斯酸的化学反应。”“我们利用这一点加工不同类型的生物质衍生原料，制造新型化学品。”
罗曼知道，如果想改变催化领域的未来，就必须跨越一些界限，尤其是化学工程与材料科学之间的界限。在来到麻省理工学院之前，罗曼加入了加州理工学院马克·戴维斯教授的实验室，在那里开展了关于生产和分析微孔与介孔材料的前沿研究；这两类材料通常用作催化剂。
过去，研发催化剂意味着进行动力学和反应性研究——这是传统化学工程的内容。如今，催化领域的前沿研究需要运用多个学科的工具和技能，包括光谱学、材料设计和计算建模。罗曼说：“不同领域之间的界限正在逐渐消失，我认为拥抱这一变化非常重要。”他还说：“我觉得这是麻省理工学院非常鲜明的特点：与其他院系的人交流合作，障碍很少。”“当我们开始在不同领域的交界处开展工作时，应该会出现改变游戏规则的新发现。”
经合作发布： 麻省理工学院新闻
作者：埃里克·斯马利是一名自由撰稿人和编辑。
图片：一台铲式挖掘机正在将固体污水污泥装入卡车，卡车随后将污泥运到田间。Flickr： SuSanA。
