团队本着模拟自然、加快地球碳循环的先进理念，从事了一系列世界先进水平的废弃物、生物质及二氧化碳资源化利用的研究。在国家自然科学基金（重点基金/面上基金）、863计划、上海市科委基金以及企业开发等项目支持下，开创性地提出了秉持模拟自然加速地球碳循环旨在本质性解决能源枯竭和CO2问题的新概念，开辟了模拟化石燃料形成和生命起源中起重要作用的水热环境高效快速资源化转化含碳废弃物的新领域，成功实现了水热环境下有机废物与 CO2的高效快速资源化转化，如：1) 水热高效、可控转化碳水化合物、木质纤维素、海洋生物质废弃物以及生活垃圾为甲酸、乙酸及乳酸；2）金属自催化分解水还原CO2产甲酸、甲醇、甲烷、长链脂肪酸及烷烃等高附加值有机物；3) 生物质直接或间接高效水热还原CO2产甲酸、乳酸等高附加值有机物。成功开发世界首套生活垃圾水热资源化转化工业化设备。研究成果在Energy Environ. Sci., Environ. Sci. Tech., JACS, Green Chem.，等环境、能源、化学领域重要学术期刊发表SCI收录论文近300篇，多篇论文被选为RSC热点论文、ACS Editor Choice等。团队负责人被誉为“水热转化有机废物与CO2第一人”，入选Elsevier 2018年高被引用学者，多次主持重要国际会议，国际会议大会/邀请报告数十次，入选日本国际奖（Japan Prize，素称日本诺贝尔奖）官方提名人。团队负责了《碳资源循环学》、《碳资源循环科学与技术前沿》等本科与研究生课程。
１. 有机废物/生物质水热转化成高附加值化工产品
传统的生物质转化技术（如热裂解、生化技术）难处理纤维素、木质纤维素、生活垃圾以及海洋生物质废弃物等难分解物，且早期研究主要聚集在转化废弃物或生物质产燃料。从长远观点看，燃料将逐步被太阳能所取代，因此利用生物质天然富含的碳、氧及氮等元素转化为化学品具有更大的发展潜力。水热技术采用的高温高压水具有与常温水完全不同的特性与反应功能，如：低介电常数使难溶于水的高分子物质易溶、高离子积使高温水自身具有酸碱催化特性。同时地球碳循环中废弃物转化为化石燃料过程中水热反应起着重要作用，因此采用水热反应高效资源化转化有机废物/生物质具有高潜力。在水热反应无害化处理有机废物的热潮时期，本团队率先提出了在水热环境下资源化转化有机废物/生物质的新概念。为加快反应进程，模拟化石燃料形成过程前端的氧化反应，探索了各种有机废物/生物质水热氧化转化产小分子有机酸的可行性，发现纤维素、木质素以及海洋生物质废弃物甲壳素在水热条件下均能有效转化产甲酸、乙酸以及乳酸的新反应，且攻克了成分复杂生活垃圾可控资源化转化的难题，实现生活垃圾产乙酸，进一步分别揭示了这些新反应的水热转化机制。甲酸、乙酸是极为重要的平台化合物，传统由化石能源制得，甲酸作为氢载体最近备受瞩目。乳酸是医疗、食品工业等的重要原料，更重要的是作为生物可降解塑料的原料，传统的乳酸生产是以玉米为原料，涉及粮食危机问题。
2. 水热还原CO2成有机化学品
在CO2还原为有机物的反应中，氢为必需元素。开发廉价、有效的氢源是CO2还原的关键。水是地球上最丰富的氢源，分解水还原CO2是极具潜力的研究方向，其中太阳能分解水还原CO2（人工光合作用）最为理想，但其效率低的瓶颈一直未突破，限制了实际应用。催化加氢转化CO2为另一个重要的方向，尽管1994年诺贝尔化学奖得主Olah教授发展的CO2催化氢化制备甲醇技术已经在冰岛成功地在模试装置上运转，但氢源来自不可再生的化石能源，而且存在氢气的储藏、运输、安全等问题，同时由于CO2的化学稳定性，氢气还原CO2一般需要贵金属的特殊催化剂。因此，如何廉价、高效分解水产氢，同时原位高效还原CO2是当前全球面临的科学挑战。 非生物成因有机物学说认为，在漆黑没有太阳光的深海/地球深部，高温高压水中溶解的CO2转化为有机物主要涉及高含铁矿石的还原作用(Fe (II) + H2O + CO2 → Fe (III) + H2 + CxHyOz)。该自然现象预示金属铁，甚至其它金属也具有水热分解水还原CO2的潜力，也即，通过模拟地质水热环境，采用金属水热产氢原位还原CO2有望解决CO2还原的廉价、有效氢源以及高效CO2还原的长期难题，同时，可望实现地质水热还原CO2自然现象的快速人工再现。
为此，本课题组开展了金属铁及其它廉价金属（Zn、Al、Mn等）水热还原CO2的探索研究，成功实现了CO2及碳酸氢盐高效、快速、高选择性地转化为甲酸、甲烷、甲醇等有机物，创造了近90%甲酸收率，98%甲烷收率的最高记录。研究还发现CO2如此高效快速还原的关键是由于金属氧化物的自催化作用所致，即，水热环境下金属分解水产的氢未离开水相，直接吸附在原位生成的金属氧化物（MOx）表面，形成高活性的MH2负离子中间体，该高活性负离子中间体形成是高效还原CO2的关键，其直接进攻HCO3-的亲电中心生成有机物。 这些成果不仅为分解水高效还原CO2开拓了新方向，而且有望开辟结合太阳能驱动的金属氧化物还原，实现金属分解水还原CO2产有机物的新型高效人工光合作用的新途径，获得的经由Zn/ZnO循环，从太阳能到甲酸的总能量转化率可高达5%。同时，这些结果也为解开生命起源之谜提供了重要的理论数据支撑。
3. 非生物成因有机合成
探明生命的起源演化同无机环境的相互作用，是地球环境科学与生命科学研究的基本问题，对人类认识地球、探索自然并维持地球生命与自然环境和谐共存有重要意义。深海热液喷口附近的非生物成因有机合成过程（二氧化碳与高温高压水催化转化为有机物）被认为是生命起源与演化的主要推动力。但是，目前关于深海非生物成因有机物合成同深海嗜压微生物的生命过程的关系仍存在许多未解之谜。同时，由大气中二氧化碳浓度增高而带来的温室效应和全球气候变化问题，严重威胁了人类的生存与可持续发展。因此，本课题组提出，通过研究并模拟深海热液喷口附近的非生物成因二氧化碳水热转化为有机物的过程，一方面探究该过程的中间产物与最终产物同深海微生物的生存与演化的相互关系，另一方面开拓一种高效还原二氧化碳产高附加值有机物从而缓解气候变化的新方法，为完善非生物成因有机物合成学说，揭示生命起源与演化过程提供重要的实验数据及理论支持，同时也可为降低二氧化碳浓度、缓解气候变化、维护人类可持续发展提供新思路和新方法。
4. 水热转化有机废物的工业化
传统有机废物（垃圾）的处理方法（焚烧、填埋及发酵）无法满足日益增长的垃圾排放和严苛环保要求，开发新型工业化有机废物（垃圾）的处理方法势在必行。本课题组经过20多年水热资源化转化有机废物的研究积累，成功开发出全球首台套100吨/天水热处理湿垃圾装置。该装置通过模拟地质水热环境，在高温高压条件下加速生物质的转化，分解成小分子有机物，然后在催化作用下转化合成腐植酸。该装置能够做到一体化、连续式生产，解决了现有餐厨垃圾间歇式处理耗时长、占地大、运营贵的问题，能够将餐厨垃圾处理时间缩短至一小时，比现有餐厨垃圾厌氧发酵处理效率提高了上百倍。课题组将通过进一步研究和开发，继续推动水热方法转化有机废物产高附加值产物的工业化应用。
