科技助力能源事業 創新成就科研未來
——記湖北省百人計劃特聘專家、湖北大學物電學院特聘教授朱斌博士

○文/賈海琴

科技助力能源事業 創新成就科研未來
——記湖北省百人計劃特聘專家、湖北大學物電學院特聘教授朱斌博士

○文/賈海琴

2015年2月2日，愛思唯爾（Elsevier）發布2014年中國（大陸地區）高被引學者榜單，其中湖北大學物電學院特聘教授、湖北省百人計劃特聘專家朱斌入選該榜單中能源學術領域中國高被引學者名單。據了解，中國高被引學者榜單遴選標準是研究者作為第一作者和通訊作者發表論文的被引總次數在本學科所有中國（大陸地區）的研究者中處于頂尖水平，2014年該榜單分38個學術領域共遴選出1651名最具世界影響力的中國學者并呈現給學術界和公眾。朱斌在能源學科排名前列?？梢?，朱斌教授在能源領域取得的成績已經被世界權威機構認可，他為能源科技的發展做出的貢獻也是不可忽視的。

科技創新，碩果累累

進入21世紀以來，綠色能源、綠色產業等新興詞語不斷涌現，燃料電池將是繼火電、水電和核電之后的第四種可大規模生產的綠色電力技術。然而，以電解質材料為核心的傳統氧化物燃料電池（SOFC）由于各部件間的兼容和匹配的復雜技術引起的科學問題和高造價嚴重阻礙了其市場化進程。對此，朱斌教授進行了20多年長期深入而細致的研究。

2010年，朱斌教授發明了無電解質燃料電池-單部件裝置，該裝置首次創造了不用電解質隔膜而只用一個功能材料的單部件來構造燃料電池，打破了傳統SOFC需要陽極、陰極和電解質多種材料精確匹配的限制，大大降低了制造成本。其核心單部件是由摻雜氧化鈰與金屬半導體氧化物構成的新型半導體-離子功能材料，在燃料氫氣或天然氣作用下，在電池的燃料接觸面形成n型導電區，在空氣接觸面形成p型導電區，得到類似于太陽能電池的p/n結，構成無電解質隔膜燃料電池實現發電。

該設計巧妙地利用了半導體結，例如肖特基結和p/n結的半導體能帶結構和勢壘，克服了燃料電池無電解質隔膜而造成短路的難題同時避免了燃料電池主要由電解質和電極（陽極和陰極）界面產生的功率損失。電池低溫工作性能好，在500℃下輸出功率密度達600毫瓦/平方厘米以上，遠高于傳統結構的離子電解質燃料電池。與現有的氧化物燃料電池相比，該電池具有以下突出優點：結構簡單（為單一部件的器件可以用簡單的機械制造；而傳統燃料電池為陽極-電解質-陰極三部件組成的復雜電化學裝置），容易實現；克服了傳統SOFC各部件材料匹配技術復雜及熱脆裂難題；電池重復性良好，制造工藝大大簡化，成本低廉，為進一步發展具有市場競爭性的SOFC產品開辟了一條新的途徑。該器件實現了SOFC低溫、高性能、無陶瓷材料部件間的匹配難題，有望在交通電源、移動電源、動力電源（電動汽車）等領域獲得廣泛應用。據悉，該研究已申請多項美國和中國發明專利。

無電解質燃料電池是燃料電池170多年來發展歷程中的革命性突破，它去除了燃料電池產業化的瓶頸；由于無電解質層，該電池是三合一單部件結構，把燃料電池的制造從復雜的電化學制造簡化為簡單的機械制造；該發明開創了新一代能源技術：聯合燃料電池-太陽能電池原理的物理電化學器件；該電池的生產成本大幅降低，制作成本僅為傳統固體氧化物燃料電池成本的1/10。該器件能極大地簡化生產工藝、降低生產成本，有望突破固體氧化物燃料電池的商業化瓶頸。因此，該發明是高技術與低造價相結合的成果，為先進燃料電池的生產制造和產業化提供了巨大的商機。

再接再厲，屢創新高

朱斌教授在瑞典皇家工學院領導了先進燃料電池和太陽能電池研究組，自入選湖北省百人計劃特聘專家，朱斌教授于2013年底在湖北大學組建實驗室，建立了瑞典皇家工學院和湖北大學的聯合研究團隊。同年，他還入選南京321計劃，并創立了高科技公司——南京蘊納納米科技有限公司。他領軍中國新型燃料電池研究領域，帶領團隊開展了大量和深入的科學研究和技術攻關。結合科研實驗和理論研究，將半導體材料、能帶理論及技術引入到燃料電池的研究中，在世界別樹一幟，引領著全球下一代燃料電池的發展。同時，他還提出和建立了新型燃料電池和太陽能電池概念：半導體離子材料、器件和技術；利用半導體能帶的設計和技術進行燃料到電能轉化；單部件無電解質或陽極-陰極-電解質“三合一”燃料電池；基于半導體結的新型燃料電池，如異質結燃料電池、肖特基結燃料電池、鈣鈦礦太陽能電池原理的燃料電池等。在此基礎上，開拓了一個嶄新的前沿領域——半導體離子材料和半導體離子學。由此而產生新的科學問題——半導體離子功能材料和器件及由此而形成的新一代能源轉換科學和技術：燃料電池和太陽能電池新型交叉學科，半導體結型新一代高效燃料電池，以及新一代半導體物理和離子電化學結合的高效清潔能源技術。

最近，朱斌教授及其研究團隊又結合先進的鈣鈦礦太陽能電池的科學原理，發展新一代高效能源技術，引進半導體能帶設計，實現電荷有效分離，促進離子快速遷移和氧化-還原反應。實現了燃料到電能高效的轉化，在550℃獲得了超過1000mW/cm2的功率輸出。該研究成果已在Nano Energy（《納米能源》期刊）發表。這是首次關于太陽能電池原理為指導的燃料—電能高效轉換技術的報道，有望為開展新型能源轉換技術的研究提供新的理論和技術指導。

筆耕不綴，專注專業

除了完成本職工作，朱斌教授一直主持歐盟-中國納米復合先進燃料電池研究（NANOCOFC）網絡（www.nanocofc.com），還兼任芬蘭Aalto大學（前赫爾辛基技術大學）和中國科技大學客座教授，東南大學客座教授、天津大學客座教授、中國地質大學和燕山大學講座教授等職，曾任國家教育部“春暉計劃”清華大學春暉學者、哈爾濱工程大學教授、南洋理工大學訪問教授、瑞典全球燃料電池公司首席技術執行官，以及瑞典皇家科學院（KVA）和瑞典皇家工程院（IVA）的燃料電池專家，歐盟、美國能源部、加拿大國家自然科學工程研究理事會和歐盟燃料電池等機構的國際評審專家，在納米和燃料電池和能源領域做了數十次國際大會邀請報告，組織和參與組織國際學術會議，并擔任國際氫能和國際能源研究雜志的客座編輯，出版了數個學術專輯。

朱斌教授先后在Adv.Mat.（SCI.影響因子17.49）、Adv.Func.Mat.（SCI.影響因子11.8）、Energy & Environmental Science（SCI.影響因子20.5）、Adv. Ener.Mat.（SCI.影響因子16.146）、Nano Energy. （SCI.影響因子10.325）、Nano Res（SCI.影響因子7.01）以及J.Mat.Chem.A、J.Power Sources、Sci. Report、Int. J.Hydrogen Energy、RSC Adv.、Electrochem.Commun.等著名國際期刊發表學術論文200多篇，被引用4200余次，H-因子35（Google Scholar），引領國際燃料電池發展的新方向。

千磨萬擊還堅勁，任爾東西南北風。而今，朱斌教授依然執著而堅韌的奮戰在新型燃料電池科研第一線，面向產業化，帶領團隊為我國的綠色能源、清潔能源事業貢獻著自己的一份力量。