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“小界面”撬動“大能量”

——記自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“界面電化學(xué)”

本報(bào)記者 甘曉

在一個(gè)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(xué)院院士、廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授孫世剛作為學(xué)術(shù)帶頭人，在連續(xù)3期國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（以下簡稱創(chuàng)新群體項(xiàng)目）支持下，圍繞“界面電化學(xué)”開展深入研究。過去9年里，他們從基礎(chǔ)科學(xué)問題出發(fā)，將原始創(chuàng)新的鏈條延長到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，讓“小界面”撬動起“大能量”。

聚焦！從基礎(chǔ)到應(yīng)用

“界面電化學(xué)”創(chuàng)新群體項(xiàng)目始于2011年1月?；趶B門大學(xué)在電化學(xué)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(xué)基金委員會（以下簡稱自然科學(xué)基金委）的考核，批準(zhǔn)給予第一次延續(xù)資助。

2014年1月至2016年12月，第二期項(xiàng)目結(jié)題后，該項(xiàng)目又通過自然科學(xué)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(xiàng)目結(jié)題審查會議上，“界面電化學(xué)”獲得全體評審專家的一致認(rèn)可，以優(yōu)秀的成績順利通過驗(yàn)收。

得益于我國電化學(xué)奠基人之一田昭武先生對基礎(chǔ)研究應(yīng)貢獻(xiàn)于社會的倡導(dǎo)，創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員長期重視應(yīng)用研究，已產(chǎn)生了大量基礎(chǔ)和應(yīng)用性成果。因此，孫世剛總結(jié)道，在“3+3+3”的創(chuàng)新群體項(xiàng)目中，研究人員從界面電化學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)問題出發(fā)，越來越聚焦國家的重大需求?！拔覀兊谝黄谘芯績?nèi)容把所有的界面過程都囊括進(jìn)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(diǎn)，怎么把大家力量結(jié)合起來，真正解決一些重要的科學(xué)問題，能夠?qū)业男枨笞鞒鲆恍┴暙I(xiàn)。”孫世剛說。

在這一共識下，科研人員將新一期項(xiàng)目聚焦至能源領(lǐng)域。為讓基礎(chǔ)研究成果真正面向應(yīng)用，在第二期后期，趙金保被引進(jìn)至創(chuàng)新群體項(xiàng)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(qiáng)的應(yīng)用導(dǎo)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(yīng)功能的高安全性陶瓷隔膜，已經(jīng)實(shí)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(dú)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(xiàng)目的發(fā)展過程，不是僅僅圍繞一個(gè)科學(xué)目標(biāo)去發(fā)散，而是充分體現(xiàn)了在認(rèn)識科學(xué)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(shí)際應(yīng)用?！?/span>

利器！方法學(xué)收獲豐厚

電化學(xué)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(yīng)?！睂O世剛告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“物質(zhì)到達(dá)界面，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移后變成其他物質(zhì)再離開?！?/span>

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(shí)際問題尋找切實(shí)可行的解決方案，就必須通過更先進(jìn)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(yīng)等動態(tài)過程。

為此，創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員廖洪鋼設(shè)計(jì)、研制出液體芯片反應(yīng)池，發(fā)展了“電化學(xué)原位超高分辨透射電子顯微鏡”，實(shí)現(xiàn)了原子/分子尺度實(shí)時(shí)微結(jié)構(gòu)可視化的觀測和實(shí)時(shí)物質(zhì)元素價(jià)態(tài)變化的監(jiān)測；任斌在國際上首次發(fā)展出電化學(xué)針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)（EC-TERS），將檢測靈敏度進(jìn)一步提高5~6個(gè)數(shù)量級；楊勇開發(fā)的“高空間分辨電化學(xué)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(jī)理、電極反應(yīng)規(guī)律及電極反應(yīng)動力學(xué)研究上有著重要應(yīng)用。

有了這些“利器”，科學(xué)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(xué)針尖增強(qiáng)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(yīng)過程與機(jī)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(shí)/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(xué)實(shí)際上是一件非常辛苦的事。“要花很多精力，投入很大?！彼f，“創(chuàng)新群體項(xiàng)目支持我們從源頭上基于科學(xué)認(rèn)識創(chuàng)新方法，發(fā)展出更先進(jìn)的儀器設(shè)備幫助我們認(rèn)識更多的新現(xiàn)象，又反過來促進(jìn)了我們對界面本質(zhì)和科學(xué)問題的深入理解?！?/span>

合作！優(yōu)勢互補(bǔ)相融相長

樂于合作的文化氛圍，是創(chuàng)新群體項(xiàng)目的一個(gè)特色。用創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員、中國科學(xué)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(xué)讀本科時(shí)住在同一個(gè)宿舍的同學(xué)，多年的深厚友誼讓他們成為科研上的好伙伴。

“強(qiáng)調(diào)合作為貴，互相補(bǔ)臺而不是互相拆臺?！睂O世剛指出。在創(chuàng)新群體項(xiàng)目支持下，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院電化學(xué)學(xué)科的10多位教授發(fā)揮各自的強(qiáng)項(xiàng)，聯(lián)手共同解決關(guān)鍵科學(xué)問題。

趙金?？磥?，創(chuàng)新群體項(xiàng)目為開展相關(guān)領(lǐng)域前沿科學(xué)研究提供了良好平臺，把從事不同方向工作的科學(xué)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(xué)基礎(chǔ)的董全峰緊密合作，用一種非傳統(tǒng)的電化學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)對堿金屬表面的電化學(xué)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?！拔蚁嘈胚@項(xiàng)研究能夠解決產(chǎn)業(yè)界的一些實(shí)際問題?！壁w金保告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

到第三期創(chuàng)新群體項(xiàng)目結(jié)題答辯時(shí)，孫世剛看到團(tuán)隊(duì)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(gè)創(chuàng)新群體項(xiàng)目結(jié)束以后，不僅在廈門大學(xué)內(nèi)部形成了協(xié)作攻關(guān)的氛圍，而且與外面學(xué)校的課題組也形成了交叉合作，希望大家團(tuán)結(jié)起來共同解決科學(xué)難題?！?/span>

《中國科學(xué)報(bào)》 (2020-05-25 第2版 自然科學(xué)基金)

界面電化學(xué)：聚焦能源 前景可期

《中國科學(xué)報(bào)》：如何評價(jià)我國學(xué)者近年來在“界面電化學(xué)”方面取得的進(jìn)展？

孫世剛：經(jīng)過自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目連續(xù)三期的支持，創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員主要在高指數(shù)晶面納米催化劑、電化學(xué)原位高時(shí)空分辨拉曼光譜、電化學(xué)能源體系界面微觀結(jié)構(gòu)和分子水平研究等3個(gè)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(xué)電化學(xué)團(tuán)隊(duì)為代表的中國學(xué)者在國際學(xué)術(shù)界的影響力，也讓中國成為國際上一個(gè)重要的界面電化學(xué)研究中心。

《中國科學(xué)報(bào)》：最近10年來，對界面電化學(xué)的研究從基礎(chǔ)研究走向了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，主要聚焦在哪個(gè)領(lǐng)域？

孫世剛：主要聚焦在能源領(lǐng)域。電化學(xué)作為一個(gè)學(xué)科，化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換和儲存過程是這個(gè)學(xué)科關(guān)注的一個(gè)主要問題。最近幾年在自然科學(xué)基金的倡導(dǎo)下，我們基礎(chǔ)科學(xué)研究者立足學(xué)科、放眼國家重大需求，認(rèn)識到電化學(xué)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(xué)可以直接把化石能源轉(zhuǎn)換成電能，是清潔的。同時(shí)，電化學(xué)在能源領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)的研究內(nèi)容中。我們開始從這些領(lǐng)域中的一些實(shí)際應(yīng)用問題出發(fā)，去逐步凝練出源頭科學(xué)問題開展研究。

《中國科學(xué)報(bào)》：目前這三類電池的電化學(xué)研究中，什么方向是重點(diǎn)？

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(shí)把成本降下來，仍是未來研究重點(diǎn)。在這方面，我們在原位表征和理論化學(xué)的研究優(yōu)勢下，從納米催化劑構(gòu)筑到燃料電池集成，實(shí)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(diǎn)應(yīng)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(xué)反應(yīng)機(jī)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(jìn)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(jì)方面。但仍然面臨4個(gè)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(yīng)及滯后效應(yīng)等。其中很多問題的本質(zhì)實(shí)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(xué)的優(yōu)勢。

《中國科學(xué)報(bào)》：面向未來，除了能源領(lǐng)域的應(yīng)用外，界面電化學(xué)作為一個(gè)學(xué)科，還有可能在哪些方向上取得突破？

孫世剛：界面電化學(xué)是電化學(xué)的核心科學(xué)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(shí)/空分辨實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合理論計(jì)算和模型模擬，進(jìn)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(jī)制則應(yīng)當(dāng)?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(fù)雜過程的研究實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(hù)新技術(shù)。這些新技術(shù)已經(jīng)并將進(jìn)一步在國家重大工程上應(yīng)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(xué)過程，將在微納機(jī)電系統(tǒng)、微納結(jié)構(gòu)功能器件、半導(dǎo)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(xué)報(bào)》 (2020-05-25 第2版 自然科學(xué)基金)