文質(zhì)彬彬,、不愛言辭,，典型的學(xué)者風(fēng)，初識天津大學(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,，張生瞬間變了一個人，侃侃而談,。一直和各種電池打交道,，并取得多項世界級研究成果。張生坦言：“利用電化學(xué)原理開發(fā)清潔能源技術(shù)是我的理想,?！?/span>
近日，張生與英國曼徹斯特大學(xué)諾貝爾物理學(xué)獎得主安德烈·海姆爵士等人合作，證實了石墨烯,、氮化硼等二維材料具有質(zhì)子傳導(dǎo)性,，并進一步發(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。這兩項研究成果分別發(fā)表在世界頂級學(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)專業(yè),，回想起來，我從小就對電特別好奇,?！被貞浧鸷碗娀瘜W(xué)結(jié)緣，張生娓娓道來,。中學(xué)時,，張生最喜歡的化學(xué)實驗就是拆開收音機用過的舊電池，把二氧化錳和鋅做的電極插入堿性溶液中,，就會產(chǎn)生電,，讓小燈泡亮起來?！艾F(xiàn)在想來,，干電池就是最簡單的電化學(xué)原理的應(yīng)用，即將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,，專業(yè)術(shù)語叫作‘原電池’,。”
2005年讀研究生時,，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)電過程的產(chǎn)物只有水,，沒有碳排放，非常環(huán)保,?！睆埳锌卣f，“但當(dāng)時我國燃料電池研究才剛起步,，研發(fā)出來的燃料電池成本高,，很難實現(xiàn)商業(yè)化,。”
張生讀博士的時候,，主要的研究方向就是降低燃料電池成本,。他和所在的團隊通過碳改性，增加廉價金屬用量,，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)性能對于燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率非常關(guān)鍵,。“當(dāng)時只有全氟磺酸膜，技術(shù)壟斷價格高而且不耐高溫,。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)子快速通過且能阻擋反應(yīng)物氫氣的滲透,。但當(dāng)時由于我的知識局限性,，還不足以攻克這個難題?！睆埳忉尩?。
帶著這個遺憾，張生去了美國進行博士后研究,，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，這些新知識拓展了他的視野,，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劃資助,，到英國曼徹斯特大學(xué)工作,，專心進行質(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,，說起來容易,，但研究過程也是一波三折?！睆埳f，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)”,，但事實證明，這條路才剛剛開始,。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,，因此還需要把穩(wěn)定的石墨烯從銅片上轉(zhuǎn)移下來。
“整整半年時間,，我們實驗了熱壓,、冷壓等二十多種方法，但由于界面作用沒那么強,，轉(zhuǎn)移過程中石墨烯膜都破損嚴(yán)重,。”回憶起當(dāng)時的情形,，張生至今難忘,，“我當(dāng)時的心情，和曼徹斯特的冬天一樣,，見不到陽光,。”通過總結(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度，實現(xiàn)了石墨烯膜的完美轉(zhuǎn)移,。
然而石墨烯膜并沒有解決耐高溫的問題,，回國后，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,。“云母在地殼中儲量極其豐富且價格低廉,，使用云母制備的云母質(zhì)子膜可以滿足各種條件，而且使用溫度可以從100℃延伸到500℃,?！睆埳榻B說，云母膜質(zhì)子傳導(dǎo)率超過了目前商業(yè)化要求的兩倍,，應(yīng)用于燃料電池后,，未來電動汽車的行駛里程將會有很大提高。
“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,?！币劳刑旖虼髮W(xué)化學(xué)學(xué)院綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點實驗室，張生通過反向利用燃料電池的能量轉(zhuǎn)化原理,，通過電能打開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，我相信通過努力,，我們的團隊一定能開發(fā)出通過電化學(xué)途徑轉(zhuǎn)化二氧化碳這樣一種清潔能源技術(shù),。”面對未來,，張生充滿信心,。
