从中国科学院海洋研究所古镇口园区张瑞永研究员的办公室里临窗远眺就能看到大海，这片海对于从事海洋微生物腐蚀与防护研究的张瑞永来说意义非凡。
张瑞永（左）正在指导张仕珺进行实验
浪花飞溅，美不胜收，但它却是当今海洋工程、船舶的头号杀手。海水中含有大量盐类，能造成严重的海洋腐蚀损害。据国际权威统计，全球每年由于全部腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的3％左右，每年我国的海洋产业腐蚀的损失巨大。
近期，中国科学院海洋研究所海洋关键材料全国重点实验室侯保荣院士和张瑞永研究员团队通过绿色合成方法，成功制备出一种以咖啡渣为原料的多孔泡沫材料结构金属氧化物，也是目前创新性全过程绿色手段制备法。“它将助力我们实现绿色长效防治海洋生物污损的愿景。”张瑞永说。
低成本低污染
咖啡渣变海洋防污卫士
2月20日，在中国科学院海洋研究所古镇口园区海洋关键材料全国重点实验室内，张瑞永研究员拿出四片铁板，有的涂满蓝色油漆，有的已经锈迹斑斑。“你看，这一片就是涂了加入我们研制的防腐材料的油漆，经过60天海水实验后，油漆依然完好，没有腐蚀。”指着其中油漆涂料最完整的一片张瑞永说。
“你能想象这种材料是用咖啡渣做成的吗？”说起这些张瑞永颇为自豪。
看记者一脸质疑的神情，随后，团队成员张仕珺开始向记者进行演示实验。
首先，他拿出一个白色小碗，将咖啡渣倒入碗中不断研磨到足够几乎粉末状后，将咖啡渣倒入盛有水的烧杯中，再将烧杯放到加热台上，将其加热至80℃并不断搅拌，半小时后过滤，“咖啡渣中的有机物已析基本析出。”张仕珺再向溶液中加入硝酸铈搅拌，在100℃下进行脱硝去水处理，2小时后，液体就成凝胶状态。
以咖啡渣为原料的多孔泡沫材料结构金属氧化物
“之后再将凝胶放入煅烧炉中高温煅烧，就形成淡黄色粉末，这就是具有多孔泡沫结构的二氧化铈。”指着一个装有淡黄色粉末的瓶子张仕珺说。
“这个粉末怎么能防污呢？”记者提出疑问，张仕珺解释道，废弃咖啡渣在80℃条件下能产生帕拉黄嘌呤、可可碱和茶碱三种同分异构体，均含有活泼的-NH键，他们可以把金属离子络合到一起，形成一个圈，然后在烧制的过程中，生成二氧化碳和二氧化氮，然后就形成二氧化铈，这是一种泡沫多孔材料。
“在高倍显微镜下，这个过程就像发面一样。”张仕珺说，多孔泡沫结构的二氧化铈是一种氧化物半导体材料，经过光催化过程，能产生活性自由基，去攻击细胞，让细菌无法附着在金属上，从而保护金属。将这个粉末加入油漆中，涂在轮船等海洋装备上，能起到很好的防腐杀菌作用。
右二贴片为涂又加了多孔泡沫材料二氧化铈的涂料，防腐能力很强
“传统制备二氧化铈多是化学方法，成本高、对环境有影响。而我们整个实验过程可以说是低成本、低污染，反应物、反应过程、产物都是绿色无污染。这在目前海洋防腐领域应该创新性的。”张仕珺很是自豪。
整个实验过程，就像给记者上了一堂化学课一般，从棕色咖啡渣到淡黄色防腐材料，让人很是震惊。
整个过程大概历时8个小时，但科研团队用时1年多，变废为宝，将咖啡渣变成了海洋防污卫士。
煮咖啡煮出科研成果
平时不起眼的咖啡渣是如何变成有用的海洋防污材料，这还要从张瑞永研究员办公室里的一台咖啡机说起。
张仕珺正在做实验
张瑞永办公室一角有一台咖啡机，这个小角落是组员每天必“打卡”的地方，“现在年轻人不是有个口号吗——用咖啡唤醒一天，并且我们做实验常常一做就是十几个小时，咖啡就成了大家‘续命’的手段，团队每人每天平均一天1-2杯咖啡，咖啡消耗量很大。”对于这个90后占比 %的团队，1984年出生的张瑞永直呼自己是“老人”了。
也正是这样一个寻常之举，成了团队此次成果的灵感之源。
1997年出生的张仕珺是青岛科技大学与中国科学院海洋研究所联合培养的硕士研究生，是团队中的新生力量，“张老师一直带领我们寻找绿色合成氧化物，大家就想到利用植物提取物来做氧化物。前期试了很多原材料，比如魔芋粉、茶叶等，但都不成功。”在一次团队喝着咖啡进行头脑风暴时，积攒许久未倒的咖啡渣引起了大家的注意。
张瑞永（后排一）在指导张仕珺进行多孔泡沫结构二氧化铈合成实验
2023年9月，已经把身边能想到的食物做遍实验的张仕珺，迅速对咖啡渣下了手。“每一种新材料都要进行无数次实验，因为要寻找不同变量下的最优解。”张仕珺说，以前看似是废物的咖啡渣迅速成了实验室的宝贝，每天产生的咖啡渣大家都储存起来，有时实验做得多，咖啡渣不够用，张仕珺就给自己额外多冲几杯，“正好提神醒脑，那段时间打嗝都有咖啡香。”张仕珺笑着说。
我们的初衷是形成一种带有均匀孔的金属氧化物，多孔可以吸附有机物，金属氧化物能够杀菌。
张瑞永（后排中）预计团队成员在讨论实验结果，张仕珺（前排左）
首先要通过调控时间、温度、用量等各种变量，寻找咖啡渣和水的完美比例。由于朝着工业化应用的方向，所以也要控制成本，既要保证咖啡渣提取物的足够量，又要控制咖啡渣的用量，同时还要寻找其提取方法，是热冲泡还是冷萃取，同时将吸附和杀菌作用集合到一个材料中。
左为咖啡渣，右为以咖啡渣为原料的多孔泡沫材料二氧化铈
经过几百次实验后，张仕珺找到了那个临界值，80℃条件下，100ml水中加入5g咖啡渣析出的提取物最完美。
“目前项目正处于实验室阶段，完成了实海挂片实验，与化学合成方法的材料相比，其杀菌率显著提升。”张仕珺说。
留学归来，变身海洋卫士
这项成果离不开团队带头人张瑞永的引领。
张瑞永（中）和小组成员
张瑞永是河南人，1984年出生，从小就显现出对化学的天赋。高二那年，因化学成绩优异，被选拔入河南代表队，参加全国化学奥林匹克竞赛，最终获得河南省二等奖，这在他心中也种下了化学科研的种子。
之后张瑞永在中南大学学习生物工程专业，硕士毕业后，到德国攻读博士学位。2020年，张瑞永被引入中国科学院海洋研究所，开始海洋微生物腐蚀与防护研究。“我以前的研究是利用微生物加速金属反应，现在是利用微生物来阻止金属反应，从利用到防护，这是一个很好的转变。”
2023年，张瑞永成功获评“海洋强国青年科学家”。
“我们的实验是全绿色合成过程，这对海洋防污领域具有引领作用。我们下一步攻克的目标就是工业化生产以及提升其使用寿命，实现全生命周期防护。”张瑞永说，海洋是资源富集的巨大宝库，是科技创新的主要战场，山东是海洋大省，海岸线约占全国的1/6，海洋资源丰度指数居全国前列，青岛具有得天独厚的海洋资源。“未来，团队要在侯保荣院士和段继周研究员带领下，不断攻坚克难，继续为海洋强省、海洋强国建设贡献我们的科研力量。”
（半岛全媒体记者 王丽平 刘文）