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這位北大科學(xué)家，在三間小屋里描繪電池的未來(lái)
時(shí)間:2021-05-11 10:52來(lái)源:北京大學(xué) 作者:綜合報(bào)道
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引言
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(shí)驗(yàn)室”與它們的主人。
實(shí)驗(yàn)室里“講規(guī)矩”
只要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室就必須佩戴全套護(hù)具，是郭少軍多年前在美國(guó)進(jìn)行研究時(shí)養(yǎng)成的習(xí)慣。
“一旦發(fā)生意外情況，在平時(shí)也許可有可無(wú)的護(hù)具，就會(huì)成為保護(hù)生命和健康的最后屏障。”
郭少軍教授的實(shí)驗(yàn)室在一棟二層小樓里。3個(gè)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(dāng)于右下方那個(gè)“口”的實(shí)驗(yàn)室里，離心機(jī)、電爐和其它一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電機(jī)，不斷發(fā)出粗重的顫音，如同電池即將耗盡的錄音機(jī)在播放磁帶上的蜂鳴�？諝庵袕浡邷�?zé)Y(jié)材料散發(fā)出的難以名狀的氣味。但沒(méi)有人會(huì)否認(rèn)，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(lái)。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(huì)從這一片氣味獨(dú)特的嘈雜中誕生。
郭少軍在實(shí)驗(yàn)室工作
而來(lái)到相當(dāng)于左下方那個(gè)“口”的實(shí)驗(yàn)室，氣味會(huì)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(guò)兩道氣密閘門(mén)，就像離開(kāi)宇宙飛船進(jìn)行太空行走的宇航員，在穿好艙外航天服之后，還要穿過(guò)特制的氣閘艙一樣。電池研究中會(huì)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(hù)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(shí)驗(yàn)材料。
郭少軍在操作手套箱
來(lái)到實(shí)驗(yàn)室門(mén)前的時(shí)候，郭少軍已經(jīng)穿好了白色的實(shí)驗(yàn)服，戴上了防護(hù)手套；他堅(jiān)持等待一名學(xué)生從另一個(gè)房間取來(lái)護(hù)目鏡，而且兩人各自戴好，方才把手伸進(jìn)手套箱，開(kāi)始當(dāng)天下午的實(shí)驗(yàn)。只要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室就必須佩戴全套護(hù)具，是他多年前在美國(guó)進(jìn)行研究時(shí)養(yǎng)成的習(xí)慣。
2011年初，在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位后，郭少軍來(lái)到了美國(guó)布朗大學(xué)開(kāi)展博士后研究。在這里，他重拾了自己在大學(xué)本科時(shí)就很感興趣的材料化學(xué)。他的合作導(dǎo)師精通無(wú)機(jī)材料化學(xué)，而美國(guó)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室通常主要依靠科研項(xiàng)目來(lái)維持實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)作，因此，郭少軍將研究方向調(diào)整為無(wú)機(jī)納米催化材料領(lǐng)域，聚焦于實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的催化劑項(xiàng)目。
“雖然好萊塢電影里的普通美國(guó)市民和美國(guó)大兵，常常會(huì)給人大大咧咧的印象。但實(shí)際上，在美國(guó)的高等學(xué)府和科研機(jī)構(gòu)里，實(shí)驗(yàn)室的管理是非常嚴(yán)格的。”郭少軍說(shuō)，“比如說(shuō)，只要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，就必須戴上護(hù)目鏡，以及所有必要的護(hù)具。即使是并不上手操作的旁觀者，比如來(lái)到實(shí)驗(yàn)室參觀的新聞?dòng)浾撸残枰绱硕鵀椤＿@是因?yàn)�，一旦發(fā)生意外情況，在平時(shí)也許可有可無(wú)的護(hù)具，就會(huì)成為保護(hù)生命和健康的最后屏障。”
嚴(yán)謹(jǐn)邏輯是科學(xué)的開(kāi)端
郭少軍實(shí)驗(yàn)室文化的另一部分，則源于他在博士研究生學(xué)習(xí)時(shí)的導(dǎo)師——中國(guó)科學(xué)院院士汪爾康。多年來(lái)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(lái)自老科學(xué)家的言傳身教，特別是專注于一個(gè)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(cái)富。”
郭少軍在美國(guó)學(xué)到的，不僅有對(duì)安全防護(hù)規(guī)則的重視，也有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)邏輯。他回憶說(shuō)，初到布朗大學(xué)的時(shí)候，他制作的學(xué)術(shù)演講幻燈片（PPT）常常會(huì)被合作導(dǎo)師批評(píng)，因?yàn)樵趦身?yè)幻燈片之間有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)邏輯上的硬傷，有時(shí)候頁(yè)面不夠圖文并茂等等。這些細(xì)節(jié)上的不完美，便有可能使幻燈片陳述的內(nèi)容缺乏說(shuō)服力。事實(shí)上，美國(guó)高等研究機(jī)構(gòu)一致非常重要系統(tǒng)嚴(yán)格精細(xì)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(dāng)如何有效地陳述自己的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室之中。他要求學(xué)生們注重科學(xué)研究的每個(gè)細(xì)節(jié)，撰寫(xiě)論文的時(shí)候要展現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)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(shí)候，又要將最通俗的語(yǔ)言建立在最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)邏輯之上。
嚴(yán)謹(jǐn)邏輯與自由討論之間的平衡，也同樣為郭少軍所重視。當(dāng)學(xué)生們?cè)谘芯恐杏龅诫y題的時(shí)候，他通常會(huì)給出研究方向和細(xì)節(jié)上的指導(dǎo)；也有些時(shí)候，通過(guò)跟學(xué)生充滿發(fā)散思維的討論，則會(huì)找到更好的解決方案。還有些時(shí)候，他們會(huì)遇到百思不得其解的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，每當(dāng)遇到這種情況，郭少軍便會(huì)建議學(xué)生們暫停下來(lái)，記錄下這個(gè)問(wèn)題，避免獨(dú)自“鉆牛角尖”這樣的低效率行為。在參加業(yè)界學(xué)術(shù)會(huì)議時(shí)，通過(guò)與更多專業(yè)人士的廣泛討論交流，也許就獲得了問(wèn)題的解決思路。
郭少軍與學(xué)生
郭少軍實(shí)驗(yàn)室文化的另一部分，則源于他在博士研究生學(xué)習(xí)時(shí)的導(dǎo)師——中國(guó)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(guó)著名的分析化學(xué)家。兩位先生對(duì)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(huì)工作大約14-15個(gè)小時(shí)，而且全年無(wú)休。有兩次，他們因?yàn)樵诖汗?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(wú)法離開(kāi)。
多年來(lái)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(shuō)，每次為科研難題與導(dǎo)師討論的時(shí)候，他都能得到思路上的指引，而且往往能得到不止一個(gè)解決方案。來(lái)自兩位老科學(xué)家的言傳身教，特別是專注于一個(gè)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(cái)富。
“三駕馬車(chē)”牽引著的未來(lái)電池
完成電化學(xué)反應(yīng)的膜電極，是中國(guó)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(guó)并且開(kāi)始了自己的新能源電池研究計(jì)劃。
在布朗大學(xué)完成博士后研究之后，郭少軍又來(lái)到著名的洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作。這座美國(guó)最大的國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(hào)，可以運(yùn)用美方資助的科研經(jīng)費(fèi)，在實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備和平臺(tái)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(jìn)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(shí)間談及他在美國(guó)的這些成功科研經(jīng)歷。因?yàn)闅淙剂想姵氐膸讉�(gè)主要模塊，時(shí)至今日仍然是中國(guó)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(gè)領(lǐng)域取得突破，無(wú)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(guó)并且開(kāi)始了自己的新能源電池研究計(jì)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(dòng)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(lái)越流行的純電動(dòng)汽車(chē)所用。然而，鋰電池能量密度急需提升，充電時(shí)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(guò)氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。不過(guò)，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(guó)”，就代表著郭少軍對(duì)電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(shí)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?yàn)樗鼈冊(cè)谖磥?lái)世界都將各有用武之地。
郭少軍在實(shí)驗(yàn)室工作
在手套箱的對(duì)面，安放著一個(gè)個(gè)像是服務(wù)器的電池測(cè)試儀，正測(cè)試著一枚枚CR2032型號(hào)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(shí)只是外觀相像，里面早已“脫胎換骨”，換上了實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的原型“內(nèi)核”。經(jīng)過(guò)不斷的設(shè)計(jì)和測(cè)試，更有應(yīng)用前景的電池新材料便會(huì)脫穎而出。
兩者之間的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，除了光催化制綠氫的實(shí)驗(yàn)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(fù)極，以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物，所以需要使用閥門(mén)來(lái)控制進(jìn)氣量。負(fù)極的鋰釋放電子，而后會(huì)成為鋰離子，穿過(guò)電池里的電解質(zhì)材料，與正極的氧氣結(jié)合生成過(guò)氧化鋰。這個(gè)過(guò)程使“鋰-空氣”電池產(chǎn)生電能，能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋰離子電池。
攻克“卡脖子”，實(shí)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(shū)記主持召開(kāi)的科學(xué)家座談會(huì)后，郭少軍備受鼓舞。他的研究團(tuán)隊(duì)正在積極響應(yīng)總書(shū)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(dá)國(guó)家的技術(shù)封鎖。
目前，中國(guó)通過(guò)使用鋰電池驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)，實(shí)現(xiàn)了部分環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。純電動(dòng)汽車(chē)使用的電能往往來(lái)自化石燃料。另一方面，鋰電池在全壽命周期中仍然會(huì)帶來(lái)一定的污染。不可否認(rèn)，鋰電池在未來(lái)會(huì)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(huì)在未來(lái)占據(jù)越來(lái)越大的比重。這是因?yàn)椋茪涞哪芰縼?lái)源可以是完全沒(méi)有碳排放的風(fēng)能或太陽(yáng)能，制氫原料則可以是水。
特別是近年來(lái)，綠水青山就是金山銀山的理念日益深入人心，總書(shū)記新近提出的“碳達(dá)峰”、“碳中和”理念，更釋放出國(guó)家對(duì)新能源和環(huán)境保護(hù)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(shū)記主持召開(kāi)的科學(xué)家座談會(huì)后，郭少軍更是備受鼓舞。他的研究團(tuán)隊(duì)正在積極響應(yīng)總書(shū)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(dá)國(guó)家的技術(shù)封鎖。
郭少軍解釋說(shuō)，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(zhǎng)期制約我國(guó)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(chǔ)量很少的鉑（白金）。郭少軍團(tuán)隊(duì)想要達(dá)成的終極目標(biāo)，便是將每個(gè)車(chē)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(chē)的尾氣處理裝置里，會(huì)使用5克鉑催化劑。氫燃料電池汽車(chē)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(chē)持平的程度，便意味著它將會(huì)大展宏圖，使人類收獲清潔出行的未來(lái)。而郭少軍團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的工作，將會(huì)加快我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展步伐。
人物簡(jiǎn)介
郭少軍，北京大學(xué)博雅特聘教授，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、全球高被引學(xué)者、斯坦福大學(xué)全球頂尖科學(xué)家、愛(ài)思唯爾中國(guó)高被引學(xué)者。長(zhǎng)期致力于將國(guó)家重大需求與基礎(chǔ)研究相結(jié)合，重點(diǎn)研究燃料電池、氫能與儲(chǔ)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(jì)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(jī)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(dòng)力學(xué)慢的關(guān)鍵難題，有力推動(dòng)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(jiǎng)、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、茅以升北京青年科技獎(jiǎng)和中國(guó)化學(xué)會(huì)-英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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