燃料電池用儲氫納米材料物理制備方法合理性的探討

趙旭哲

（伊利諾伊理工大學，芝加哥 伊利諾伊州 60616）

燃料電池用儲氫納米材料物理制備方法合理性的探討

趙旭哲

（伊利諾伊理工大學，芝加哥 伊利諾伊州 60616）

指出汽車的發展趨勢是電動汽車的研發和推廣應用，而燃料電池以其優越的特性將成為今后實用化電動汽車主要電池之一。電動汽車用燃料電池目前主要的技術難點之一是高性能低成本的儲氫材料的制備技術。為此，本文簡要分析了燃料電池對儲氫材料的要求，簡介了化學儲氫與物理儲氫這兩種儲氫方式的基本原理、常用儲氫材料的類型及其特點，明確指出電動汽車用燃料電池的儲氫材料的納米化是其必然的發展趨勢。簡介了儲氫材料的物理與化學方法制備納米微粒的基本原理，指出物理方法制備納米儲氫材料成為今后的主要發展方向。重點對制備納米儲氫材料中的物理方法中的氣膠噴射方法、機械球磨方法、噴射與球磨復合方法等三種典型的制備工藝的基本原理、系統組成及其特點進行了論述。從而為電動汽車用燃料電池中的納米儲氫材料的制備奠定良好的基礎。

電動汽車；儲氫材料；納米粉制備；氣膠噴射；機械球磨；

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-123-06

引言

隨著社會文明程度的提高，人們對生活質量的要求越來越高，傳統燃油汽車消耗大量的石油資源、排放大量的廢氣、產生噪聲和振動污染［1］。開發出用來代替傳統燃油汽車的低污染環保型的汽車迫在眉睫,因此低污染型環保汽車應運而生。

低污染型環保汽車主要可分為三大種類：純電動汽車、混合動力車和燃料電池車。

純電動汽車直接使用蓄電池提供能源，不消耗油料、天燃氣等資源，能真正實現“零排放”。電機、電池以及控制是其三大關鍵技術，長期制約電動汽車發展主要是蓄電池。目前常用的蓄電池有:鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，上述每種蓄電池各有優、缺點。如鉛酸電池成本低、供貨量充分，技術成熟，但體積大、比能量較低；鎳氫電池比能量高、比功率高、 壽命長、安全性高、無污染，但鎳氫電池主要問題是初始成本高，還有記憶效應和充電發熱等問題有待解決；鋰離子電池具有較高的電池單體電壓、比能量高、比功率大，同時還急需要解決兩個技術難題：安全性差和充放電壽命短的問題。

混合動力車同時采用了電動機和內燃機作為其動力裝置［2］，其通過先進的控制系統使兩種動力裝置有機協調配合，實現最佳動力分配方案。采用混合動力的汽車可以不用傳統的變速器來實現無級變速，使汽車具有良好的加速性，耗油量只有內燃機汽車的一半，尾氣排放污染物降低到同類的10%左右，而且沒有電動車行駛里程的限制。混合動力車采用兩套動力系統裝置，故驅動系統復雜價格也較普通車貴。

燃料電池車以燃料電池為動力源。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的裝置。燃料電池具有高效、無噪音和少污染的特點。燃料電池汽車缺點是開發、制造成本高，還存在一些安全問題和有待解決的關鍵技術問題［3］。

低污染型環保汽車的研究與開發的關鍵技術分別為電池、電動機、自動控制以及車身與底盤設計。其中電池在電動汽車中扮演至關重要的作用。電池的性能一直是制約了低污染型環保汽車發展的關鍵性因素，且制約著低污染型環保汽車在汽車領域的市場競爭性。

低污染型環保汽車用電池經歷了三個時代的發展，各方面已經取得了較大的進展。

第一代為鉛酸電池。所謂鉛酸電池是指一種電極主要由鉛制成，電解液為硫酸溶液的一種蓄電池。其比能量較高、價格低和能高倍率放電，是目前國內大批量生產的電動汽車所使用的主要電池。

第二代為堿性電池。所謂堿性電池是指使用堿性的電解液的電池。其比能量和比功率都比鉛酸電池高，大大提高了汽車的行駛距離。但其因價格昂貴，未能得到廣泛使用。其中鋰離子電池的放電率高、比能量大、充放電壽命長。但由于其原價格昂貴，安全性較差，使其工業化的應用一直受到限制。

第三代為燃料電池。所謂燃料電池是一種由氧或者氧化劑發生的氧化還原反應，將燃料中的化學能轉化成電能的一種電池。燃料電池直接將燃料的化學能轉變為電能，能量轉變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應過程，能量轉化過程可以連續進行，因此是理想的汽車用電池［1］。

燃料電池主要是由陽極、電解質和陰極所組成。在陽極上的燃料（一般為氫氣）被催化劑氧化，使得燃料變成一個正電荷的離子和帶負電的電子。電子通過電線產生電流，而帶有正電荷的離子通過特殊的電解質或者交換膜，到達陰極與電子和化學物（一般為氧氣）相結合，形成水或者二氧化碳。燃料電池一般可以分為質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、溶融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。

燃料電池在工作過程中只產生水和二氧化碳，對環境不會造成任何污染。尤其與傳統內燃機汽車相比，在使用含氫燃料制氫過程中，燃料電池只會產生少量的一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物。英國能源政策研究中心進行了一項研究，用內燃機汽車與使用燃料電池的汽車的排放物的進行了對比。其中燃料電池汽車比普通燃油汽車的CO、SOx、NMHC、NOx和PM要低一到兩個數量級。其中甲醇燃料汽車和天然氣燃料汽車的CO2排放量僅為內燃機和柴油機汽車的62%和40%。因此，燃料汽車在環境保護方面具有明顯的優勢。

除此之外，燃料電池在工作時間上也有明顯的優勢。燃料電池和蓄電池都是將化學能轉化成電能。但是燃料電池是能量轉換裝置，而蓄電池是能量儲存裝置。理論上只要供給燃料及氧化劑，燃料電池就可以連續不斷地發電。而蓄電池需要反復充電才能使用，因此燃料電池對比蓄電池更具有持久性。 燃料電池是一個電化學反應系統，主要產生電能來提供給汽車動力。而使用礦物燃料的內燃機主要通過燃料的燃燒先產生熱能，而只有小一部分熱能轉化為機械能。因此燃料汽車的能量轉換效率比內燃機要高出一倍左右。

燃料電池目前主要的技術難點之一是高性能低成本的儲氫材料的制備技術。為此，本文簡要分析了燃料電池對儲氫材料的要求，簡介了化學儲氫與物理儲氫這兩種基本的儲氫方式的基本原理、常用儲氫材料的類型及其特點，明確指出電動汽車用燃料電池的儲氫材料的納米化是其必然的發展趨勢。簡介了儲氫材料的物理與化學方法制備納米微粒的基本原理，指出物理方法制備納米儲氫材料成為今后的主要發展方向。重點對制備納米儲氫材料中的物理方法中的氣膠噴射方法、機械球磨方法、噴射與球磨復合方法等三種典型的制備工藝的基本原理、系統組成及其特點進行了論述。從而為電動汽車用燃料電池中的納米儲氫材料的制備奠定良好的基礎。

1、儲氫材料的分類及其納米化

儲氫材料是在特定條件下具有吸附和釋放氫氣的特殊材料。儲氫材料在實際運用過程中，儲氫材料的性質由理論氫容量、實際可逆儲氫容量、循環利用次數、補充燃料所需時間來決定。

根據吸附氫氣作用原理的不同，儲氫材料可以分為兩類：化學吸附材料和物理吸附材料。化學吸附是指氫分子解離，氫原子插入底物的晶格或者形成新的化合物。物理吸附主要是依靠材料表面與分子氫之間的范德華力，過程中不發生氫分子的解離［4］。

根據美國能源部（DOE）針對車載燃料電池的6.5 wt%以上的儲氫量標準，傳統儲氫合金理論與DOE的目標相差甚遠。因此，以鎂基材料與配位氫化物為代表的化學儲氫是最具潛力的一種儲氫方式。鎂基材料的復合體系儲氫性能優良，鎂具有吸氫量大、價格便宜、等溫線平坦，滯后小的特點，是公認的具有廣泛前景的儲氫材料。例如MgH2, 其理論儲氫量為7.6wt%，配氫化物是以 NaAlH4和LiBH4為代表的一系列的輕金屬鋁氫化物和硼氫化物。 LiBH4具有很高理論儲氫容量（18wt%)，NaAlH4具有較好吸放氫動力學性質和循環性質［1］。雖然鎂基材料與配氫化物具備較高的氫元素質量比，但由于自身條件的種種限制，這兩類儲氫材料需要在特殊的環境下才能提高自身放氫與吸氫的量。而材料納米化是一種高效的辦法來解決以上問題［5］。

將氫原子在吸放氫的過程中所需要運動的活動范圍限制到納米級，儲氫材料能夠體現出良好的動力學性能［5,6］。此外，理論計算結果表明，當顆粒尺寸減少到納米級時，金屬氫化物會因為表面能的集聚增加，使其熱力學大大改善。因此，制備納米級的儲氫材料是提高材料吸放氫性能的重要途徑［］。

反應物失穩法是一種有效降低LiBH4在放氫時穩定性的途徑。Vajo首次提出了在LiBH4中添加一定比例的MgH2后體系的儲氫性能［8］。Vajo的研究發現MgH2的加入對于降低整個系統熱力學穩定性有明顯作用, 通過對315℃～400℃等溫PCT測試表明，LiBH4+MgH2體系的放氫反應焓變只有40kJ·mol-1H2, 比LiBH4單獨放氫時的反應焓變降低了25 kJ·mol-1H2［8］。經過Van't Hoff 線的外推得出LiBH4+ MgH2體系的平衡氫壓為0.1MPa時所需要的溫度為225℃,遠低于LiBI-14達到0.1MPa平衡氫壓時所需要的溫度［5,6］。由于LiBH4+MgH2體系不僅有較高的理論儲氫量、較低的熱力學穩定性還表現出良好的吸放氫可逆能力,經過Vajo等報道后引起了廣泛關注［5］。基于LiBH4+MgH2體系的高儲氫量與低熱力學穩定性，并且結合納米化的方法來大幅度提高放氫與吸氫量是極具潛力的新型儲氫材料制備技術。

2、儲氫材料的納米制備方法的分類

2.1 物理制備方法

儲氫材料的物理制備方法主要包括真空冷凝法、物理粉碎法和機械球磨法。

真空冷凝法是用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等離子體，然后使其再驟冷，以獲得所需的納米微粒的方法。其特點是純度高、結晶組織好、粒度可控，但技術難度大，使用的設備造價高。

物理粉碎法是采用機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點是操作簡單，但產品純度低，儲氫材料的顆粒分布不均勻。

機械球磨法是通過施加足夠大的動力，使得鋼球之間產生劇烈的運動，迫使鋼球相互間研磨儲氫材料的方式來得到純元素納米粒子、合金納米粒子或復合材料的納米粒子。

2.2 化學制備方法

化學制備方法主要包括氣相沉積法、沉淀法、水熱合成法、溶膠凝膠法、微乳液法等多種類型［9］。

氣相沉積法是通過金屬化合物的蒸氣的化學反應合成納米材料。其特點是產品純度高、粒度分布窄［9］。

沉淀法是把沉淀劑加入到鹽溶液中反應后，通過沉淀熱處理得到納米材料。其特點是簡單易行，但純度低、顆粒半徑大，適合制備氧化物［9］。

水熱合成法是利用高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經分離和熱處理得納米粒子。其特點是純度高、分散性好、粒度易控制［9］。

溶膠凝膠法是較為普遍的一種化學納米材料制取方法，其利用金屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化，再經低溫熱處理而生成納米粒子。其特點是反應物種多、產物顆粒均一、過程易控制，適于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制備［9］。

微乳液法是將兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經成核、聚結、團聚、熱處理后得納米粒子。其特點是粒子的單分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半導體納米粒子多用此法制備［9］。

通過對比儲氫材料的納米制備的上述物理與化學方法可發現，物理方法不易對原材料造成污染。物理方法通過對原材料的物理形態進行改變，從而將原材料變為納米級顆粒。其設備投資少、易實現工業化批量生產、制備過程簡單，制備時間相對較短［8］。物理方法成為目前關注的重點。因此本文僅對氣膠噴射法、機械球磨法及其兩者的復合三種物理方法制備納米化儲氫材料進行論述。

3、氣膠噴射方法

3.1 基本原理

氣膠噴射方法是一種利用高壓氣體來撞擊目標溶液，從而制備納米氣膠溶液粒子的一種物理方法，如圖1所示［10］。由圖1可以看出，當氣體吹入氣膠霧化器中，目標溶液由于壓強差被吸入霧化器中，進而被高壓氣體撞擊為納米氣膠顆粒。氣膠顆粒由頂部的出口伴隨高壓氣體流出霧化器。而未被撞擊或者較大質量的溶液液滴由于重力作用可回流至溶液瓶中。

3.2 系統組成

這種利用氣制備納膠噴射方法制備納米級儲氫材料的方法所使用的機器簡稱為氣膠噴射器 (Aerosol Sprayer)，如圖2所示為美國TSI公司生產3076型氣膠噴射器，其主要由以下三部分組成。

第一部分為氣體過濾供給器。其用來去除供給氣體中的油脂和水蒸氣等雜質。供給器還可以調節供氣氣體的壓強大小，使得系統達到最佳工作狀態。

第二部分為氣膠產生器。氣膠產生器是利用從氣體過濾器中來的高壓供給氣體高速碰撞目標溶液，將溶液碰撞成為氣膠粒子。達到規定尺寸的氣膠粒子隨著高速氣體吹出產生器，而質量較大的溶液液滴則順著連接產生器和目標溶液的儲存罐之間的導管流入到罐內。

第三部分為氣膠干燥器和電荷中和器。當納米氣膠通過干燥劑和中和器后，納米氣膠中的水分和電荷會被吸收與中和。確保最終制取的納米氣膠粒子的純度與質量。

美國GRIMM Technologies公司的7.811型氣膠產生器是一種采用雙泵內置結構來制取納米氣膠粒子的氣膠產生器［11］，如圖3所示。

此產生器采用一體化結構，其中包括氣膠制取裝置、干燥裝置以及稀釋裝置。其中的硅膠干燥器容易更換，前置控制面板可以任意控制氣體流速以及氣膠制備速率。

此氣膠產生器可以噴霧器速率為1～3.5L/min, 空氣流速為5～20L/min.。儀器的整體重量為9kg，方便攜帶。但此氣膠產生器制取的氣膠顆粒尺寸范圍是 30nm～5000nm，波動范圍較大。適用于材料目標尺寸為微米級的材料制取。

3.3 特點

美國TSI公司生產的氣膠噴射器制取的納米氣膠顆粒尺寸范圍是20nm～300nm,氣膠噴射器可以連續不斷地噴射出納米氣膠粒子，也可以用來與其他的材料進行混合，制備所需的復合納米材料。同時氣膠產生器也可以使用混合溶液，直接可以制得混合納米氣膠粒子。例如LiBH4溶液可以通過氣膠噴射器來制取LiBH4納米氣膠，從而可以大大改善了LiBH4的放氫動力學。氣膠噴射器只適用于溶于水或者溶于其它溶液的納米儲氫材料的制備，固體納米儲氫材料只能采用其它方法來制取 。

4、機械球磨方法

4.1 基本原理

機械球磨方法是指將儲氫材料通過球磨的方法加工或粉碎至較小尺寸的微粒做為原料。首先將固體儲氫材料放入裝有一定體積數量鋼球的圓桶形容器內，這些鋼球表面硬度很高且耐腐蝕。容器內的鋼球自身的旋轉或攪拌軸對鋼球的劇烈攪拌作用，使得鋼球對加入其中的儲氫材料的微粒產生沖擊和摩擦，使得處于鋼球之間的儲氫材料微粒被進一步打碎，最終磨成更小尺寸的細小微粒，完成儲氫材料的納米化制備。利用球磨機可以對儲氫材料進行研磨，使得儲氫材料的自身穩定性降低，增大了材料的表面積，使其與反應物或催化劑的接觸面積增加，進而提高了放氫量。

4.2 系統組成

這種機械球磨制備納米級儲氫材料的方法所使用的機器簡稱為球磨機。該球磨機主要分為臥式與立式兩種。常見的工業用球磨機是臥式大型球磨機，它是由水平的長筒體，進出料軸和磨頭部分組成，筒內裝有研磨體，筒體一般由鋼板制造，筒內的研磨體一般是鋼制小球，研磨時按照與物料基于一定的比例放入筒內進行研磨。鋼球的直徑由最終物料的目標尺寸來決定。當球磨機圓筒開始轉動的時候，研磨體以及物料由于慣性、離心力和摩擦力的作用被筒體帶到一定高度。當它們受到重力作用，兩者均被拋落，下落的研磨體與處于筒體底部的研磨體相互碰撞擊碎物料。

實驗室球磨機在尺寸上與工業球磨機相比之下相對較小，但在打磨物料的原理上大致相同。實驗室球磨機大致可分為臥式和立式兩種類型。臥式實驗室球磨機工作原理和工業臥式球磨機基本一致，通過筒體的轉動帶動筒內的研磨體對物料進行沖擊和打磨。而立式實驗室球磨機是通過伸入筒內的攪拌軸的旋轉作用帶動筒體內的研磨體對物料進行研磨和粉碎。

根據物料的物理及化學性質的不同，球磨機所選用的研磨體也各不相同。研磨體的材質一般可分為金屬和非金屬兩大類型。常見的金屬研磨體有不銹鋼珠、鎢鋼珠和鉻合金鋼珠等。金屬材料研磨體是最常見的研磨體之一，它性價比提高了它應用的廣泛性。但是由于自身性質的關系，金屬研磨體在研磨過程中會與物料產生一系列的化學反應，以至于污染物料。所以，在應用于研磨與金屬會發生反應的物料時，非金屬研磨體一般作為第一選擇［10］。

對于最終研磨后物料的直徑大小，是由研磨體和球磨機自身的條件來決定。球磨機自身的轉速可以控制研磨體之間相互碰撞的頻率以及強度。轉速越高，碰撞頻率以及強度越大，物料直徑則越小。同樣，研磨體本身的直徑大小也直接決定物料研磨后的尺寸。研磨體直徑越小，物料被研磨后直徑也越小。當增加了球磨的時間，物料被研磨的頻率也同時增大，則物料被研磨后的尺寸也越小。

美國NETZSCH公司生產的實驗室用球磨機 PE 075/PR 01采用立式攪拌方式對目標材料進行攪拌。它利用攪拌軸的高速旋轉運動擊打研磨球體來撞擊材料，從而達到對材料的研磨作用。圖4 PE 075/PR 01球磨機的整體外觀與攪拌軸的不同外形。

此球磨機可以通過齒輪電動機調節轉速，并且配備循環水冷裝置。對于不同的球磨場合，可以更換不同的球磨裝置來進行配合。例如，當要研磨陶瓷材料時，可以更換為陶瓷制作的球磨桶體。當要研磨碳化鎢時，可將研磨桶體更換為用碳化鎢制作的研磨桶。這種可更換的球磨桶配置使得球磨后的材料更為純凈，在球磨過程中不宜受到污染

4.3 特點

機械球磨法制取裝置結構復雜，占地面積大，造價高。由于采用機械攪拌鋼球、而鋼球之間劇烈碰撞的方法來研磨制備納米儲氫材料，因此工作時噪聲振動大，能耗大，能量利用率低。球磨機應采用尺寸較小的研磨鋼球體，其最終材料尺寸可以達到微米級或納米級。球磨機一般適用于可制成固體狀態的較大尺寸的納米儲氫材料的加工。

5、噴射與球磨復合方法

5.1 基本原理

基于對儲氫化合物深入的研究，儲氫化合物體系是非常具有潛力的一種應用在燃料汽車領域的新興材料體系。若將納米化理念引入此體系中，將會極大的提高儲氫材料吸放氫動力學性質，從而提高吸放氫量，降低化合物分解溫度等等。采用氣膠噴射法結合機械球磨法是一種理想的新型方法來制取納米化合物。

5.2 系統組成

氣膠噴射與機械球磨復合納米材料制取技術運用了氣膠噴射器和機械球磨機兩種物理納米制備技術。氣膠噴射器用來制取液態儲氫材料的納米氣膠顆粒，可將氣膠顆粒噴入機械攪拌的球磨機中，與球磨機中正在研磨的固態儲氫化合物相混合，進而獲取納米儲氫化合物體系。納米儲氫化合物體系的制備過程如圖3所示。

5.3 特點

結合兩種物理納米材料制備方法來制取儲氫化合物體系是一種新型材料制備技術。這種制備技術充分利用了納米材料的優勢來改善儲氫材料的動力學性質，進一步降低了儲氫材料的放氫溫度。并且可逆儲氫容量也隨著動力學性質的改變而有所增加。因此，儲氫材料納米化和儲氫材料體系納米化將會成為未來燃料電池汽車發展的一個趨勢。

6、結論

（1）燃料電池具備良好的綜合性能在電動汽車上應用前景廣闊，而儲氫材料在汽車燃料電池中則起著舉足輕重的作用。而儲氫材料納米化是一種大幅度提高材料儲氫能力的有效途徑。

（2）儲氫材料納米化的方法主要包括物理與化學方法。而物理方法主要包括真空冷凝法、物理粉碎法和機械球磨法。化學方法主要包括氣相沉積法、水熱合成法、溶膠凝膠法、微乳液法。

（3）氣膠噴射法是一種利用高壓氣體來撞擊目標溶液，從而制得納米氣膠溶液粒子的物理制備納米材料儀器。氣膠噴射器只適用于溶于水或者溶于其它溶液的納米儲氫材料的制備。

（4）機械球磨方法是指將儲氫材料通過球磨的方法加工或粉碎至較小尺寸的微粒做為原料。將儲氫材料放入圓形容器內，利用容器內的鋼球自身的旋轉或攪拌軸對鋼球的劇烈攪拌作用，使得鋼球對加入其中的儲氫材料的微粒產生沖擊和摩擦，使得處于鋼球之間的儲氫材料微粒被進一步打碎，最終磨成更小尺寸的細小微粒，完成儲氫材料的納米化制備。機械球磨法一般適用于固體納米儲氫材料的制備。

（5）氣膠噴射與機械球磨復合納米材料制取技術運用了氣膠噴射器和機械球磨機兩種物理納米制備技術。這種制備技術充分利用了納米材料的優勢來改善儲氫材料的動力學性質，進一步降低了儲氫材料的放氫溫度。并且可逆儲氫容量也隨著動力學性質的改變而有所增加。

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Discussion of Physical Method for Preparing Nanoscale Hydrogen Storage Material Used for Fuel Cell

Zhao Xuzhe
(Illinois Institute of Technology, Chicago IL 60616)

Abtract: The developing trend of modern vehicle is electrical vehicle, and fuel cell will become the one of the main batteries in the future with the prominent property. The current obstacle of fuel cell technology is lacking of excellent performance hydrogen storage materials. Therefore, this article briefly introduces the requirement of fuel cell for hydrogen storage materials. And it also talks about the principles, typical classifications and characteristics of chemical and physical hydrogen storage technology. This article points out that nanoscale hydrogen storage materials will be the ultimate development of the fuel cell vehicle. In addition, this article talks about the chemical and physical nanomaterial fabrication methods. And it predicts that physical method for Preparing nanomaterial is going to be the major developing direction for hydrogen storage material fabrication. Finally, this article separately discusses working principle, system compositions and technique characteristics of aerosol sprayer technique, mechanical ball milling technique and combination of two techniques. And the discussion of this article provides a favorable basis for fabrication of nanoscale hydrogen storage materials in fuel cell vehicle industry.

electrical vehicle；hydrogen storage materials；preparation of nano powder; aerosol sprayer; mechanical ball milling

U469.7

A

1671-7988(2015)02-123-06

趙旭哲，碩士研究生，就讀于美國伊利諾伊理工大學。