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“小界面”撬动“大能量” 发布时间:2020-05-25 04:28

  在一个电池中,作为电极的固体与作为电解质的液体交界的地方,会发生奇妙的变化。这里被称为“界面”,通常只有不到20纳米厚,但它的结构和性质足以对电池的效率和寿命产生颠覆性影响。

  自2011年起,中国科学院院士、厦门大学化学化工学院教授孙世刚作为学术带头人,在连续3期国家自然科学基金创新研究群体项目(以下简称创新群体项目)支持下,围绕“界面电化学”开展深入研究。过去9年里,他们从基础科学问题出发,将原始创新的链条延长到产业应用中,让“小界面”撬动起“大能量”。

  “界面电化学”创新群体项目始于2011年1月。基于厦门大学在电化学领域的深厚积累,孙世刚带领该校科研人员获得首期资助,于2013年12月顺利结题并通过国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)的考核,批准给予第一次延续资助。

  2014年1月至2016年12月,第二期项目结题后,该项目又通过自然科学基金委遴选、择优给予第二次延续资助。在2019年11月召开的创新群体项目结题审查会议上,“界面电化学”获得全体评审专家的一致认可,以优秀的成绩顺利通过验收。

  得益于我国电化学奠基人之一田昭武先生对基础研究应贡献于社会的倡导,创新群体项目成员长期重视应用研究,已产生了大量基础和应用性成果。因此,孙世刚总结道,在“3+3+3”的创新群体项目中,研究人员从界面电化学的基础科学问题出发,越来越聚焦国家的重大需求。“我们第一期研究内容把所有的界面过程都囊括进来了,第二期内容则重在拓展新体系,更加关注基本方法和理论的动态发展。”

  “到了第三期以后,大家就在商量,怎么能找到突破点,怎么把大家力量结合起来,真正解决一些重要的科学问题,能够对国家的需求作出一些贡献。”孙世刚说。

  在这一共识下,科研人员将新一期项目聚焦至能源领域。为让基础研究成果真正面向应用,在第二期后期,赵金保被引进至创新群体项目中。曾在锂电池生产企业长期从事研发工作的经历,使他对基础研究的理解有着很强的应用导向。几年来,他带领课题组在国内率先成功研发第一代陶瓷功能隔膜和第二代具有多级温度响应功能的高安全性陶瓷隔膜,已经实现产业化,创造了20多亿元的产值。

  赵金保介绍,目前具有自主知识产权的第三代高安全性功能隔膜,利用了独创的耐高温超薄层立体再修饰技术,大幅提高了电池安全性。

  孙世刚指出:“这9年3期项目的发展过程,不是仅仅围绕一个科学目标去发散,而是充分体现了在认识科学问题方面的不断深化,大家做了很大的努力,从基础研究做到了实际应用。”

  电化学对于界面的关注,已经不是新闻。“界面发生的最重要过程就是电子转移,也就是氧化还原反应。”孙世刚告诉《中国科学报》,“物质到达界面,发生电子转移后变成其他物质再离开。”

  要为燃料电池、高能二次电池及钙钛矿太阳能电池等领域面临的实际问题寻找切实可行的解决方案,就必须通过更先进的原位表征技术,“看清”界面原子结构变化和分子反应等动态过程。

  为此,创新群体项目成员廖洪钢设计、研制出液体芯片反应池,发展了“电化学原位超高分辨透射电子显微镜”,实现了原子/分子尺度实时微结构可视化的观测和实时物质元素价态变化的监测;任斌在国际上首次发展出电化学针尖增强拉曼光谱技术(EC-TERS),将检测灵敏度进一步提高5~6个数量级;杨勇开发的“高空间分辨电化学原位固体核磁共振技术”,在高比能二次锂电池关键材料储能机理、电极反应规律及电极反应动力学研究上有着重要应用。

  有了这些“利器”,科学家在界面表征上收获丰厚。例如,在高空间分辨固气和固液界面表征方面,任斌课题组利用电化学针尖增强拉曼光谱技术,完成了双金属模型催化剂纳米尺度空间分辨的电子性质研究,有望发展为原位表征催化剂表面结构及反应过程与机理的新工具。在固液界面动态表征方面,廖洪钢课题组则利用高时/空分辨原位透射电镜方法,首次观察到固液界面新奇的动态吸附层结构。

  在孙世刚看来,探索方法学实际上是一件非常辛苦的事。“要花很多精力,投入很大。”他说,“创新群体项目支持我们从源头上基于科学认识创新方法,发展出更先进的仪器设备帮助我们认识更多的新现象,又反过来促进了我们对界面本质和科学问题的深入理解。”

  乐于合作的文化氛围,是创新群体项目的一个特色。用创新群体项目成员、中国科学院院士田中群的话说叫做“合为贵”。田中群和孙世刚是在厦门大学读本科时住在同一个宿舍的同学,多年的深厚友谊让他们成为科研上的好伙伴。

  “强调合作为贵,互相补台而不是互相拆台。”孙世刚指出。在创新群体项目支持下,厦门大学化学化工学院电化学学科的10多位教授发挥各自的强项,联手共同解决关键科学问题。

  赵金保看来,创新群体项目为开展相关领域前沿科学研究提供了良好平台,把从事不同方向工作的科学家凝聚在一起,完成思想火花碰撞。

  例如,擅长扫描微探针表征技术的毛秉伟与擅长能源电化学基础的董全峰紧密合作,用一种非传统的电化学方法,实现对碱金属表面的电化学抛光和固态电解质界面(SEI)的原位成膜,不仅获得了大范围平整的金属表面,而且构筑了均匀光滑的SEI膜。“我相信这项研究能够解决产业界的一些实际问题。”赵金保告诉《中国科学报》。

  到第三期创新群体项目结题答辩时,孙世刚看到团队乐于合作的氛围在年轻一代研究人员中越来越浓厚。“我很高兴,这个创新群体项目结束以后,不仅在厦门大学内部形成了协作攻关的氛围,而且与外面学校的课题组也形成了交叉合作,希望大家团结起来共同解决科学难题。”

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