張生在實驗室陳曦攝

陳 曦

文質(zhì)彬彬、不愛言辭，典型的學者風，初識天津大學化工學院優(yōu)秀青年教授張生，他給人這樣的印象。

然而，當聊起他深耕了十幾年的電化學研究，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：“利用電化學原理開發(fā)清潔能源技術(shù)是我的理想。”

近日，張生與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理學獎得主安德烈·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專業(yè)，回想起來，我從小就對電特別好奇。”回憶起和電化學結(jié)緣，張生娓娓道來。中學時，張生最喜歡的化學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。“現(xiàn)在想來，干電池就是最簡單的電化學原理的應(yīng)用，即將化學能轉(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。“燃料電池是一種很棒的清潔能源技術(shù)，不受熱力學循環(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。”張生感慨地說，“但當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)子傳導性能對于燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率非常關(guān)鍵。“當時只有全氟磺酸膜，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。但當時由于我的知識局限性，還不足以攻克這個難題。”張生解釋道。

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轉(zhuǎn)化利用。在國外學習工作期間，他接觸到了更多的材料學、化學、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。”張生說，根據(jù)各種文獻和之前的研究，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重。”回憶起當時的情形，張生至今難忘，“我當時的心情，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℃。”張生介紹說，云母膜質(zhì)子傳導率超過了目前商業(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。”依托天津大學化學學院綠色合成與轉(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。