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“小界面”撬動“大能量”

——記自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目“界面電化學”

本報記者 甘曉

在一個電池中，作為電極的固體與作為電解質(zhì)的液體交界的地方，會發(fā)生奇妙的變化。這里被稱為“界面”，通常只有不到20納米厚，但它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)足以對電池的效率和壽命產(chǎn)生顛覆性影響。

自2011年起，中國科學院院士、廈門大學化學化工學院教授孫世剛作為學術(shù)帶頭人，在連續(xù)3期國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目（以下簡稱創(chuàng)新群體項目）支持下，圍繞“界面電化學”開展深入研究。過去9年里，他們從基礎(chǔ)科學問題出發(fā)，將原始創(chuàng)新的鏈條延長到產(chǎn)業(yè)應用中，讓“小界面”撬動起“大能量”。

聚焦！從基礎(chǔ)到應用

“界面電化學”創(chuàng)新群體項目始于2011年1月?；趶B門大學在電化學領(lǐng)域的深厚積累，孫世剛帶領(lǐng)該?？蒲腥藛T獲得首期資助，于2013年12月順利結(jié)題并通過國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）的考核，批準給予第一次延續(xù)資助。

2014年1月至2016年12月，第二期項目結(jié)題后，該項目又通過自然科學基金委遴選、擇優(yōu)給予第二次延續(xù)資助。在2019年11月召開的創(chuàng)新群體項目結(jié)題審查會議上，“界面電化學”獲得全體評審專家的一致認可，以優(yōu)秀的成績順利通過驗收。

得益于我國電化學奠基人之一田昭武先生對基礎(chǔ)研究應貢獻于社會的倡導，創(chuàng)新群體項目成員長期重視應用研究，已產(chǎn)生了大量基礎(chǔ)和應用性成果。因此，孫世剛總結(jié)道，在“3+3+3”的創(chuàng)新群體項目中，研究人員從界面電化學的基礎(chǔ)科學問題出發(fā)，越來越聚焦國家的重大需求。“我們第一期研究內(nèi)容把所有的界面過程都囊括進來了，第二期內(nèi)容則重在拓展新體系，更加關(guān)注基本方法和理論的動態(tài)發(fā)展?！?/span>

“到了第三期以后，大家就在商量，怎么能找到突破點，怎么把大家力量結(jié)合起來，真正解決一些重要的科學問題，能夠?qū)业男枨笞鞒鲆恍┴暙I。”孫世剛說。

在這一共識下，科研人員將新一期項目聚焦至能源領(lǐng)域。為讓基礎(chǔ)研究成果真正面向應用，在第二期后期，趙金保被引進至創(chuàng)新群體項目中。曾在鋰電池生產(chǎn)企業(yè)長期從事研發(fā)工作的經(jīng)歷，使他對基礎(chǔ)研究的理解有著很強的應用導向。幾年來，他帶領(lǐng)課題組在國內(nèi)率先成功研發(fā)第一代陶瓷功能隔膜和第二代具有多級溫度響應功能的高安全性陶瓷隔膜，已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)造了20多億元的產(chǎn)值。

趙金保介紹，目前具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代高安全性功能隔膜，利用了獨創(chuàng)的耐高溫超薄層立體再修飾技術(shù)，大幅提高了電池安全性。

孫世剛指出：“這9年3期項目的發(fā)展過程，不是僅僅圍繞一個科學目標去發(fā)散，而是充分體現(xiàn)了在認識科學問題方面的不斷深化，大家做了很大的努力，從基礎(chǔ)研究做到了實際應用?！?/span>

利器！方法學收獲豐厚

電化學對于界面的關(guān)注，已經(jīng)不是新聞?！敖缑姘l(fā)生的最重要過程就是電子轉(zhuǎn)移，也就是氧化還原反應。”孫世剛告訴《中國科學報》，“物質(zhì)到達界面，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移后變成其他物質(zhì)再離開。”

要為燃料電池、高能二次電池及鈣鈦礦太陽能電池等領(lǐng)域面臨的實際問題尋找切實可行的解決方案，就必須通過更先進的原位表征技術(shù)，“看清”界面原子結(jié)構(gòu)變化和分子反應等動態(tài)過程。

為此，創(chuàng)新群體項目成員廖洪鋼設(shè)計、研制出液體芯片反應池，發(fā)展了“電化學原位超高分辨透射電子顯微鏡”，實現(xiàn)了原子/分子尺度實時微結(jié)構(gòu)可視化的觀測和實時物質(zhì)元素價態(tài)變化的監(jiān)測；任斌在國際上首次發(fā)展出電化學針尖增強拉曼光譜技術(shù)（EC-TERS），將檢測靈敏度進一步提高5~6個數(shù)量級；楊勇開發(fā)的“高空間分辨電化學原位固體核磁共振技術(shù)”，在高比能二次鋰電池關(guān)鍵材料儲能機理、電極反應規(guī)律及電極反應動力學研究上有著重要應用。

有了這些“利器”，科學家在界面表征上收獲豐厚。例如，在高空間分辨固氣和固液界面表征方面，任斌課題組利用電化學針尖增強拉曼光譜技術(shù)，完成了雙金屬模型催化劑納米尺度空間分辨的電子性質(zhì)研究，有望發(fā)展為原位表征催化劑表面結(jié)構(gòu)及反應過程與機理的新工具。在固液界面動態(tài)表征方面，廖洪鋼課題組則利用高時/空分辨原位透射電鏡方法，首次觀察到固液界面新奇的動態(tài)吸附層結(jié)構(gòu)。

在孫世剛看來，探索方法學實際上是一件非常辛苦的事?！耙ê芏嗑?，投入很大?！彼f，“創(chuàng)新群體項目支持我們從源頭上基于科學認識創(chuàng)新方法，發(fā)展出更先進的儀器設(shè)備幫助我們認識更多的新現(xiàn)象，又反過來促進了我們對界面本質(zhì)和科學問題的深入理解?！?/span>

合作！優(yōu)勢互補相融相長

樂于合作的文化氛圍，是創(chuàng)新群體項目的一個特色。用創(chuàng)新群體項目成員、中國科學院院士田中群的話說叫做“合為貴”。田中群和孫世剛是在廈門大學讀本科時住在同一個宿舍的同學，多年的深厚友誼讓他們成為科研上的好伙伴。

“強調(diào)合作為貴，互相補臺而不是互相拆臺?！睂O世剛指出。在創(chuàng)新群體項目支持下，廈門大學化學化工學院電化學學科的10多位教授發(fā)揮各自的強項，聯(lián)手共同解決關(guān)鍵科學問題。

趙金?？磥恚瑒?chuàng)新群體項目為開展相關(guān)領(lǐng)域前沿科學研究提供了良好平臺，把從事不同方向工作的科學家凝聚在一起，完成思想火花碰撞。

例如，擅長掃描微探針表征技術(shù)的毛秉偉與擅長能源電化學基礎(chǔ)的董全峰緊密合作，用一種非傳統(tǒng)的電化學方法，實現(xiàn)對堿金屬表面的電化學拋光和固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）的原位成膜，不僅獲得了大范圍平整的金屬表面，而且構(gòu)筑了均勻光滑的SEI膜。“我相信這項研究能夠解決產(chǎn)業(yè)界的一些實際問題?！壁w金保告訴《中國科學報》。

到第三期創(chuàng)新群體項目結(jié)題答辯時，孫世剛看到團隊樂于合作的氛圍在年輕一代研究人員中越來越濃厚?！拔液芨吲d，這個創(chuàng)新群體項目結(jié)束以后，不僅在廈門大學內(nèi)部形成了協(xié)作攻關(guān)的氛圍，而且與外面學校的課題組也形成了交叉合作，希望大家團結(jié)起來共同解決科學難題?！?/span>

《中國科學報》 (2020-05-25 第2版 自然科學基金)

界面電化學：聚焦能源 前景可期

《中國科學報》：如何評價我國學者近年來在“界面電化學”方面取得的進展？

孫世剛：經(jīng)過自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目連續(xù)三期的支持，創(chuàng)新群體項目成員主要在高指數(shù)晶面納米催化劑、電化學原位高時空分辨拉曼光譜、電化學能源體系界面微觀結(jié)構(gòu)和分子水平研究等3個方向上取得了不俗成績，引領(lǐng)國際研究前沿。

這顯著提升了以廈門大學電化學團隊為代表的中國學者在國際學術(shù)界的影響力，也讓中國成為國際上一個重要的界面電化學研究中心。

《中國科學報》：最近10年來，對界面電化學的研究從基礎(chǔ)研究走向了產(chǎn)業(yè)應用，主要聚焦在哪個領(lǐng)域？

孫世剛：主要聚焦在能源領(lǐng)域。電化學作為一個學科，化學能和電能之間的轉(zhuǎn)換和儲存過程是這個學科關(guān)注的一個主要問題。最近幾年在自然科學基金的倡導下，我們基礎(chǔ)科學研究者立足學科、放眼國家重大需求，認識到電化學在化石能源優(yōu)化清潔利用和新能源開發(fā)中能夠發(fā)揮重要作用。比如，電化學可以直接把化石能源轉(zhuǎn)換成電能，是清潔的。同時，電化學在能源領(lǐng)域的應用場景也發(fā)展很快，包括燃料電池、電動汽車等。

所以，我們專門把燃料電池電催化、高能二次電池、鈣鈦礦太陽能電池等方向納入界面電化學的研究內(nèi)容中。我們開始從這些領(lǐng)域中的一些實際應用問題出發(fā)，去逐步凝練出源頭科學問題開展研究。

《中國科學報》：目前這三類電池的電化學研究中，什么方向是重點？

孫世剛：燃料電池商業(yè)化一直受阻于昂貴的鉑基催化劑。怎樣把催化劑效率提上去，同時把成本降下來，仍是未來研究重點。在這方面，我們在原位表征和理論化學的研究優(yōu)勢下，從納米催化劑構(gòu)筑到燃料電池集成，實現(xiàn)納米—介觀—宏觀跨尺度的電催化表界面過程監(jiān)測和調(diào)控，力爭在超低鉑/非鉑燃料電池方面取得突破。

高能二次電池的研究重點應放在研發(fā)新型高性能電極/電解質(zhì)材料、新型原位/工況表征分析技術(shù)，探索新型電化學反應機制和開發(fā)新體系等方面。目前，我們已經(jīng)在鋰電池高安全性隔膜方面進行了產(chǎn)業(yè)化工作。

對于鈣鈦礦太陽能電池，這些年發(fā)展很快，特別是在材料設(shè)計方面。但仍然面臨4個重要問題，包括提高效率、提高穩(wěn)定性、解決鉛毒性、解決光激活效應及滯后效應等。其中很多問題的本質(zhì)實際上涉及到鈣鈦礦電池界面的優(yōu)化，因此如何表征、優(yōu)化和調(diào)控鈣鈦礦太陽能電池界面是關(guān)鍵，這正是界面電化學的優(yōu)勢。

《中國科學報》：面向未來，除了能源領(lǐng)域的應用外，界面電化學作為一個學科，還有可能在哪些方向上取得突破？

孫世剛：界面電化學是電化學的核心科學問題。按照現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，未來有可能在基礎(chǔ)理論、基于非貴金屬催化劑的燃料電池、超高比能量密度和比功率密度儲能體系以及解決一些國家重大需求方面取得重要突破。

比如，基礎(chǔ)理論上通過超高時/空分辨實驗研究結(jié)合理論計算和模型模擬，進一步理解界面結(jié)構(gòu)以及溶液、離子和電極表面的作用。燃料電池的非貴金屬催化劑則可以通過多功能的表界面構(gòu)筑提升性能。而在新儲能體系方面，超越傳統(tǒng)“離子—電子”的離域共軛儲能新機制則應當?shù)玫街匾暋?/span>

除了能源領(lǐng)域，相關(guān)研究還有望基于對鋼筋、混凝土界面復雜過程的研究實現(xiàn)精準監(jiān)測鋼筋腐蝕和安全性，以及開發(fā)不銹鋼表界面構(gòu)筑和超高耐腐蝕防護新技術(shù)。這些新技術(shù)已經(jīng)并將進一步在國家重大工程上應用。

此外，面向國家微納制造產(chǎn)業(yè)的重大需求，金屬電沉積、電聚合、腐蝕和刻蝕等界面電化學過程，將在微納機電系統(tǒng)、微納結(jié)構(gòu)功能器件、半導體晶圓拋光、高端電子制造（芯片大馬士革銅互連、超大規(guī)模集成電路封裝和集成中的電子電鍍）等產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要作用。

《中國科學報》 (2020-05-25 第2版 自然科學基金)