這位北大科學(xué)家，在三間小屋里描繪電池的未來

時間:2021-05-11 10:52來源:北京大學(xué) 作者:綜合報道
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       引言
 
       他長期致力于燃料電池、氫能與二次電池關(guān)鍵材料與器件研究。
 
       他是首屆科學(xué)探索獎獲得者，在燃料電池和氫能研究上的突破得到肯定。
 
       3間不起眼小屋，組成了他施展才華的“電池王國”，孕育著電池技術(shù)的未來。

       不久前，北大官微正式推出全新欄目“不一樣的科學(xué)家”，帶讀者“尋訪”北大校園中的一間間“寶藏實驗室”與它們的主人。
 
       今天，讓我們一同走進北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院郭少軍教授的實驗室，感受他和他的微縮電池王國。


 實驗室里“講規(guī)矩”
 
       只要進入實驗室就必須佩戴全套護具，是郭少軍多年前在美國進行研究時養(yǎng)成的習(xí)慣。
 
       “一旦發(fā)生意外情況，在平時也許可有可無的護具，就會成為保護生命和健康的最后屏障。”
 
       郭少軍教授的實驗室在一棟二層小樓里。3個大體排成“品”字形的房間，占據(jù)了這棟樓二層的一角。在相當于右下方那個“口”的實驗室里，離心機、電爐和其它一些實驗設(shè)備的電機，不斷發(fā)出粗重的顫音，如同電池即將耗盡的錄音機在播放磁帶上的蜂鳴�？諝庵袕浡邷責Y(jié)材料散發(fā)出的難以名狀的氣味。但沒有人會否認，這似乎不太適合接待訪客的處所，可能孕育著電池技術(shù)的未來。也許，某種性能卓越的燃料電池，或是新概念的二次電池，就會從這一片氣味獨特的嘈雜中誕生。
 

郭少軍在實驗室工作
 
       而來到相當于左下方那個“口”的實驗室，氣味會稍好一些。一具碩大的手套箱占據(jù)了一角的空間。它的內(nèi)部充滿了氬氣，想要將藥品和試劑送到里面，需要經(jīng)過兩道氣密閘門，就像離開宇宙飛船進行太空行走的宇航員，在穿好艙外航天服之后，還要穿過特制的氣閘艙一樣。電池研究中會用到鋰、鈉和鉀等一些極為活潑的金屬，而氬氣環(huán)境的保護可以讓它們不至于自燃或是爆炸，而是成為可以上手直接操作的實驗材料。
 

郭少軍在操作手套箱
 
       來到實驗室門前的時候，郭少軍已經(jīng)穿好了白色的實驗服，戴上了防護手套；他堅持等待一名學(xué)生從另一個房間取來護目鏡，而且兩人各自戴好，方才把手伸進手套箱，開始當天下午的實驗。只要進入實驗室就必須佩戴全套護具，是他多年前在美國進行研究時養(yǎng)成的習(xí)慣。
 
       2011年初，在中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位后，郭少軍來到了美國布朗大學(xué)開展博士后研究。在這里，他重拾了自己在大學(xué)本科時就很感興趣的材料化學(xué)。他的合作導(dǎo)師精通無機材料化學(xué)，而美國大學(xué)的實驗室通常主要依靠科研項目來維持實驗室的運作，因此，郭少軍將研究方向調(diào)整為無機納米催化材料領(lǐng)域，聚焦于實驗室正在進行的催化劑項目。
       “雖然好萊塢電影里的普通美國市民和美國大兵，常常會給人大大咧咧的印象。但實際上，在美國的高等學(xué)府和科研機構(gòu)里，實驗室的管理是非常嚴格的。”郭少軍說，“比如說，只要進入實驗室，就必須戴上護目鏡，以及所有必要的護具。即使是并不上手操作的旁觀者，比如來到實驗室參觀的新聞記者，也需要如此而為。這是因為，一旦發(fā)生意外情況，在平時也許可有可無的護具，就會成為保護生命和健康的最后屏障。”
 
       嚴謹邏輯是科學(xué)的開端
 
       郭少軍實驗室文化的另一部分，則源于他在博士研究生學(xué)習(xí)時的導(dǎo)師——中國科學(xué)院院士汪爾康。多年來的勤奮工作，賦予了先生極佳的邏輯深度，也使郭少軍在求學(xué)和科研道路上獲益匪淺。
 
       “來自老科學(xué)家的言傳身教，特別是專注于一個研究方向之后的不懈奮斗，成為我最大的收獲，也是要傳承給學(xué)生們的寶貴財富。”
 
       郭少軍在美國學(xué)到的，不僅有對安全防護規(guī)則的重視，也有嚴謹?shù)目茖W(xué)邏輯。他回憶說，初到布朗大學(xué)的時候，他制作的學(xué)術(shù)演講幻燈片（PPT）常常會被合作導(dǎo)師批評，因為在兩頁幻燈片之間有時候會出現(xiàn)邏輯上的硬傷，有時候頁面不夠圖文并茂等等。這些細節(jié)上的不完美，便有可能使幻燈片陳述的內(nèi)容缺乏說服力。事實上，美國高等研究機構(gòu)一致非常重要系統(tǒng)嚴格精細的學(xué)術(shù)訓(xùn)練，比如論文的題目、摘要和前言應(yīng)該如何行文，應(yīng)當如何有效地陳述自己的學(xué)術(shù)觀點等等。

郭少軍生活照
 
       多年之后，這些學(xué)術(shù)訓(xùn)練都被郭少軍吸收到自己的實驗室之中。他要求學(xué)生們注重科學(xué)研究的每個細節(jié)，撰寫論文的時候要展現(xiàn)出實驗的全貌，用提升“工作顯示度”且抓住重心描述的方式，展現(xiàn)出研究工作的科學(xué)意義，確保結(jié)果經(jīng)得起推敲；而在解釋研究結(jié)果的時候，又要將最通俗的語言建立在最嚴謹?shù)目茖W(xué)邏輯之上。
 
       嚴謹邏輯與自由討論之間的平衡，也同樣為郭少軍所重視。當學(xué)生們在研究中遇到難題的時候，他通常會給出研究方向和細節(jié)上的指導(dǎo)；也有些時候，通過跟學(xué)生充滿發(fā)散思維的討論，則會找到更好的解決方案。還有些時候，他們會遇到百思不得其解的實驗現(xiàn)象，每當遇到這種情況，郭少軍便會建議學(xué)生們暫停下來，記錄下這個問題，避免獨自“鉆牛角尖”這樣的低效率行為。在參加業(yè)界學(xué)術(shù)會議時，通過與更多專業(yè)人士的廣泛討論交流，也許就獲得了問題的解決思路。

郭少軍與學(xué)生
 
       郭少軍實驗室文化的另一部分，則源于他在博士研究生學(xué)習(xí)時的導(dǎo)師——中國科學(xué)院院士汪爾康。汪爾康院士與夫人董紹俊院士（第三世界科學(xué)院院士），都是我國著名的分析化學(xué)家。兩位先生對科學(xué)探索極為執(zhí)著，而且崇尚終身學(xué)習(xí)。幾十年如一日，兩位先生每天都會工作大約14-15個小時，而且全年無休。有兩次，他們因為在春節(jié)除夕夜加班工作得太晚，以至于被研究所安保人員誤鎖在樓里無法離開。
 
       多年來的勤奮工作，賦予了兩位先生極佳的邏輯深度，也使郭少軍在求學(xué)和科研道路上獲益匪淺。他回憶說，每次為科研難題與導(dǎo)師討論的時候，他都能得到思路上的指引，而且往往能得到不止一個解決方案。來自兩位老科學(xué)家的言傳身教，特別是專注于一個研究方向之后的不懈奮斗，成為他最大的收獲，也是要傳承給學(xué)生們的寶貴財富。
 
       “三駕馬車”牽引著的未來電池
 
       完成電化學(xué)反應(yīng)的膜電極，是中國面臨的“卡脖子”技術(shù)之一。正是打破“卡脖子”局面的宏愿，促使郭少軍回國并且開始了自己的新能源電池研究計劃。
 
       在布朗大學(xué)完成博士后研究之后，郭少軍又來到著名的洛斯·阿拉莫斯國家實驗室工作。這座美國最大的國家實驗室，曾是人類第一枚原子彈的誕生之地。郭少軍則獲得了以“原子彈之父”羅伯特·奧本海默命名的“奧本海默學(xué)者”稱號，可以運用美方資助的科研經(jīng)費，在實驗室提供的設(shè)備和平臺框架下，自行決定研究的領(lǐng)域和方向。
      在這里，郭少軍研究起新型半導(dǎo)體光電材料。而這段看似“跑題”的研究經(jīng)歷，卻使他意外地得到了進一步探索光催化制氫的靈感與積累。
 
       郭少軍并不愿意花更多時間談及他在美國的這些成功科研經(jīng)歷。因為氫燃料電池的幾個主要模塊，時至今日仍然是中國面臨的“卡脖子”技術(shù)。而作為它的“心臟”，完成電化學(xué)反應(yīng)的膜電極，便是“卡脖子”技術(shù)之一。在這個領(lǐng)域取得突破，無疑要比追溯往昔的成就更有吸引力。也正是打破“卡脖子”局面的宏愿，促使他回國并且開始了自己的新能源電池研究計劃。
       現(xiàn)代生活很大程度是建構(gòu)在電池之上，比如鋰電池，其為移動電話、筆記本電腦和其他一些電子設(shè)備提供電能，也為現(xiàn)在越來越流行的純電動汽車所用。然而，鋰電池能量密度急需提升，充電時間也需要加快。相比之下，氫燃料電池成為另一種可靠選擇，它通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能。不過，即使氫燃料電池大展宏圖，鋰電池也仍然大有用武之地。
 
       由3間不起眼的小屋組成的“電池王國”，就代表著郭少軍對電池技術(shù)發(fā)展趨勢的看法。他和學(xué)生們主要致力于氫燃料電池領(lǐng)域的攻關(guān)，同時也在嘗試研制新的鋰電池材料，也研究介于傳統(tǒng)鋰電池和燃料電池之間的“鋰-空氣”電池，因為它們在未來世界都將各有用武之地。
 

郭少軍在實驗室工作
 
      在手套箱的對面，安放著一個個像是服務(wù)器的電池測試儀，正測試著一枚枚CR2032型號的電池樣品。這些電池與電子詞典常用的紐扣電池很像，但其實只是外觀相像，里面早已“脫胎換骨”，換上了實驗室自行設(shè)計的原型“內(nèi)核”。經(jīng)過不斷的設(shè)計和測試，更有應(yīng)用前景的電池新材料便會脫穎而出。
 
       兩者之間的實驗臺上，除了光催化制綠氫的實驗裝置，還擺放著郭少軍的學(xué)生們制作的原型“鋰-空氣”電池。前者是要為燃料電池尋找穩(wěn)定的燃料供應(yīng)，后者則是另辟蹊徑的探索。在調(diào)料罐大小的裝置內(nèi)部，便是“鋰-空氣”電池的“核心”。它們以鋰作為負極，以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物，所以需要使用閥門來控制進氣量。負極的鋰釋放電子，而后會成為鋰離子，穿過電池里的電解質(zhì)材料，與正極的氧氣結(jié)合生成過氧化鋰。這個過程使“鋰-空氣”電池產(chǎn)生電能，能量密度遠高于傳統(tǒng)的鋰離子電池。
 
       攻克“卡脖子”，實現(xiàn)“碳中和”
 
       綠水青山就是金山銀山。
 
       在2020年9月11日應(yīng)邀參加了習(xí)近平總書記主持召開的科學(xué)家座談會后，郭少軍備受鼓舞。他的研究團隊正在積極響應(yīng)總書記“碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略，全力攻關(guān)燃料電池和氫能相關(guān)的卡脖子技術(shù)，希望能打破西方發(fā)達國家的技術(shù)封鎖。
 
       目前，中國通過使用鋰電池驅(qū)動的純電動汽車，實現(xiàn)了部分環(huán)境保護目標，但這還遠遠不夠。純電動汽車使用的電能往往來自化石燃料。另一方面，鋰電池在全壽命周期中仍然會帶來一定的污染。不可否認，鋰電池在未來會有很大用武之地；但在交通工具新能源電池這一應(yīng)用領(lǐng)域，使用氫參與電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的燃料電池會在未來占據(jù)越來越大的比重。這是因為，制氫的能量來源可以是完全沒有碳排放的風(fēng)能或太陽能，制氫原料則可以是水。
       特別是近年來，綠水青山就是金山銀山的理念日益深入人心，總書記新近提出的“碳達峰”、“碳中和”理念，更釋放出國家對新能源和環(huán)境保護領(lǐng)域的高度重視。在2020年9月11日應(yīng)邀參加了習(xí)近平總書記主持召開的科學(xué)家座談會后，郭少軍更是備受鼓舞。他的研究團隊正在積極響應(yīng)總書記“碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略，全力攻關(guān)燃料電池和氫能相關(guān)的卡脖子技術(shù)，希望能打破西方發(fā)達國家的技術(shù)封鎖。
       郭少軍解釋說，他主要研究燃料電池和氫能的膜電極模塊，目前缺乏自主產(chǎn)權(quán)的高性能膜電極長期制約我國燃料電池技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。而在膜電極模塊中，催化劑又是核心中的核心，直接決定了燃料電池的綜合性能。目前，最好的燃料電池催化劑體系是使用自然界中儲量很少的鉑（白金）。郭少軍團隊想要達成的終極目標，便是將每個車用燃料電池的鉑用量，從目前的30～40克減少到5克。我們知道傳統(tǒng)燃油車的尾氣處理裝置里，會使用5克鉑催化劑。氫燃料電池汽車顯然不需要處理尾氣，所以，如果它的鉑用量能減少到與燃油車持平的程度，便意味著它將會大展宏圖，使人類收獲清潔出行的未來。而郭少軍團隊正在進行的工作，將會加快我國在這個領(lǐng)域的發(fā)展步伐。
 
       人物簡介
       郭少軍，北京大學(xué)博雅特聘教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、英國皇家化學(xué)會會士、全球高被引學(xué)者、斯坦福大學(xué)全球頂尖科學(xué)家、愛思唯爾中國高被引學(xué)者。長期致力于將國家重大需求與基礎(chǔ)研究相結(jié)合，重點研究燃料電池、氫能與儲能電池。發(fā)展了高性能原子、亞納米和納米催化材料設(shè)計的思想，提出了材料應(yīng)變調(diào)控催化的新方式，率先揭示了材料本征拉應(yīng)變和雙軸應(yīng)變調(diào)控催化材料電子結(jié)構(gòu)與催化性能的化學(xué)機制，研制出了系列新概念電/光催化材料，顯著提升了燃料電池和氫能催化性能，解決了能源小分子反應(yīng)動力學(xué)慢的關(guān)鍵難題，有力推動了材料、化學(xué)和能源的交叉與融合。榮獲首屆科學(xué)探索獎、中國青年科技獎、茅以升北京青年科技獎和中國化學(xué)會-英國皇家化學(xué)會青年化學(xué)獎。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 電池 北大
作者：綜合報道 ，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處：http://jzr14e.cn/xingwen//2021051136107.html
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