張生在實(shí)驗(yàn)室陳曦?cái)z

文質(zhì)彬彬、不愛(ài)言辭，典型的學(xué)者風(fēng)，初識(shí)天津大學(xué)化工學(xué)院優(yōu)秀青年教授張生，他給人這樣的印象。

然而，當(dāng)聊起他深耕了十幾年的電化學(xué)研究，張生瞬間變了一個(gè)人，侃侃而談。一直和各種電池打交道，并取得多項(xiàng)世界級(jí)研究成果。張生坦言：“利用電化學(xué)原理開(kāi)發(fā)清潔能源技術(shù)是我的理想?！?/p>

近日，張生與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德烈·海姆爵士等人合作，證實(shí)了石墨烯、氮化硼等二維材料具有質(zhì)子傳導(dǎo)性，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，把自然界中廣泛存在的云母用于燃料電池的高溫質(zhì)子交換膜，比目前商用膜性能更優(yōu)、更節(jié)能環(huán)保。這兩項(xiàng)研究成果分別發(fā)表在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·納米》與《自然·通訊》上。

自小與“電”結(jié)下不解之緣

“我從本科到博士一直讀的都是電化學(xué)專(zhuān)業(yè)，回想起來(lái)，我從小就對(duì)電特別好奇。”回憶起和電化學(xué)結(jié)緣，張生娓娓道來(lái)。中學(xué)時(shí)，張生最喜歡的化學(xué)實(shí)驗(yàn)就是拆開(kāi)收音機(jī)用過(guò)的舊電池，把二氧化錳和鋅做的電極插入堿性溶液中，就會(huì)產(chǎn)生電，讓小燈泡亮起來(lái)。“現(xiàn)在想來(lái)，干電池就是最簡(jiǎn)單的電化學(xué)原理的應(yīng)用，即將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫作‘原電池’?！?/p>

2005年讀研究生時(shí)，張生第一次接觸到了燃料電池，自此一干就是十幾年?！叭剂想姵厥且环N很棒的清潔能源技術(shù)，不受熱力學(xué)循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率極高，而且燃料電池發(fā)電過(guò)程的產(chǎn)物只有水，沒(méi)有碳排放，非常環(huán)保。”張生感慨地說(shuō)，“但當(dāng)時(shí)我國(guó)燃料電池研究才剛起步，研發(fā)出來(lái)的燃料電池成本高，很難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?！?/p>

張生讀博士的時(shí)候，主要的研究方向就是降低燃料電池成本。他和所在的團(tuán)隊(duì)通過(guò)碳改性，增加廉價(jià)金屬用量，達(dá)到了和用昂貴的鉑金催化劑做電極一樣的效果，電極成本極大降低。

在燃料電池中，質(zhì)子傳導(dǎo)性能對(duì)于燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率非常關(guān)鍵?！爱?dāng)時(shí)只有全氟磺酸膜，技術(shù)壟斷價(jià)格高而且不耐高溫。燃料電池需要的質(zhì)子傳導(dǎo)膜既要非常薄，還要像一張‘網(wǎng)’一樣，孔洞大小只能讓質(zhì)子快速通過(guò)且能阻擋反應(yīng)物氫氣的滲透。但當(dāng)時(shí)由于我的知識(shí)局限性，還不足以攻克這個(gè)難題?！睆埳忉尩?。

帶著這個(gè)遺憾，張生去了美國(guó)進(jìn)行博士后研究，主攻方向是溫室二氧化碳的電化學(xué)轉(zhuǎn)化利用。在國(guó)外學(xué)習(xí)工作期間，他接觸到了更多的材料學(xué)、化學(xué)、物理等方面的知識(shí)，這些新知識(shí)拓展了他的視野，但尋找性能更優(yōu)良的質(zhì)子傳導(dǎo)膜這個(gè)難題始終讓他念念不忘。

破解提升燃料電池性能難題

張生的執(zhí)著讓他的人生軌跡再次與燃料電池產(chǎn)生交集，優(yōu)異的研究成果使張生獲得歐盟杰出人才計(jì)劃資助，到英國(guó)曼徹斯特大學(xué)工作，專(zhuān)心進(jìn)行質(zhì)子交換膜的難題研究。

“尋找能夠做‘網(wǎng)’的二維材料這件事，說(shuō)起來(lái)容易，但研究過(guò)程也是一波三折?！睆埳f(shuō)，根據(jù)各種文獻(xiàn)和之前的研究，他們找到了石墨烯這種二維材料，本以為找到了一張合適的“網(wǎng)”，但事實(shí)證明，這條路才剛剛開(kāi)始。石墨烯材料是由碳的六元環(huán)結(jié)構(gòu)組成的，十分不穩(wěn)定，需要以銅片為基底才能穩(wěn)定成石墨烯膜。但是銅不能讓質(zhì)子通過(guò)，因此還需要把穩(wěn)定的石墨烯從銅片上轉(zhuǎn)移下來(lái)。

“整整半年時(shí)間，我們實(shí)驗(yàn)了熱壓、冷壓等二十多種方法，但由于界面作用沒(méi)那么強(qiáng)，轉(zhuǎn)移過(guò)程中石墨烯膜都破損嚴(yán)重?！被貞浧甬?dāng)時(shí)的情形，張生至今難忘，“我當(dāng)時(shí)的心情，和曼徹斯特的冬天一樣，見(jiàn)不到陽(yáng)光?！蓖ㄟ^(guò)總結(jié)失敗的方案，張生調(diào)整思路，最終找到一種膠增加了界面強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了石墨烯膜的完美轉(zhuǎn)移。

然而石墨烯膜并沒(méi)有解決耐高溫的問(wèn)題，回國(guó)后，張生又找到和石墨烯結(jié)構(gòu)相近一些材料，但都存在各種問(wèn)題。直到云母材料的出現(xiàn)，讓張生如獲至寶。“云母在地殼中儲(chǔ)量極其豐富且價(jià)格低廉，使用云母制備的云母質(zhì)子膜可以滿(mǎn)足各種條件，而且使用溫度可以從100℃延伸到500℃。”張生介紹說(shuō)，云母膜質(zhì)子傳導(dǎo)率超過(guò)了目前商業(yè)化要求的兩倍，應(yīng)用于燃料電池后，未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程將會(huì)有很大提高。

“我們發(fā)展燃料電池這一清潔能源技術(shù)的初衷之一是減少碳排放，而更好地減少碳排放的辦法是把二氧化碳變廢為寶。”依托天津大學(xué)化學(xué)學(xué)院綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張生通過(guò)反向利用燃料電池的能量轉(zhuǎn)化原理，通過(guò)電能打開(kāi)二氧化碳的碳氧分子鍵，加入氫將二氧化碳有選擇性地轉(zhuǎn)化為甲酸、乙烯和乙醇等有用的物質(zhì)。

“雖然這項(xiàng)研究難度很大，但是做科研需要迎難而上的精神，我相信通過(guò)努力，我們的團(tuán)隊(duì)一定能開(kāi)發(fā)出通過(guò)電化學(xué)途徑轉(zhuǎn)化二氧化碳這樣一種清潔能源技術(shù)?！泵鎸?duì)未來(lái)，張生充滿(mǎn)信心。（陳曦）