潛心科研 精細(xì)至微
——記溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院材料系系主任楊植

□ 倪海波

“充電5分鐘，通話2小時(shí)”，一句不靠情懷也不靠文采卻足夠有沖擊力的廣告詞，吸引了無數(shù)的消費(fèi)者，一直從熒屏內(nèi)火到了熒屏外。這句簡單有力的廣告語充分證實(shí)了充電快、續(xù)航久的“硬實(shí)力”，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的發(fā)展訴求。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先要突破的問題就是電池的性能。如何快速有效又安全地完成充電？這也是相關(guān)科研人員爭相研究的熱點(diǎn)，浙江溫州大學(xué)教授楊植就是其中一位，多年來他一直致力于鋰電池和燃料電池兩種高效、清潔、綠色的能源技術(shù)。從2003年開始至今，他已在這一領(lǐng)域堅(jiān)持了15年，并取得了多項(xiàng)可喜成績。他這樣給自己定位：“我做事的風(fēng)格就是不求做多大，而是要做得精，做得要有特色，要有用。”

敢于突破瓶頸，鋰硫電池研究創(chuàng)新多

隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)日常電子消費(fèi)品以及電動(dòng)汽車等的需求也在不斷提升，而這也對(duì)二次電池的性能提出了更高的要求。電子信息時(shí)代，幾乎人人都離不開手機(jī)或電腦。同時(shí)，人們也有一個(gè)非常直觀的需求，那就是希望電子產(chǎn)品“待機(jī)時(shí)間越來越長，充電時(shí)間越來越短，價(jià)格越來越便宜”，而楊植目前正在研究的鋰硫電池就有可能實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

“從2003年到現(xiàn)在已經(jīng)有15年了，我一直在做這方面的研究，主要研究碳材料在電池上的應(yīng)用。”楊植說道，在湖南大學(xué)博士畢業(yè)后，他還在北京天奈科技有限公司工作了一年多時(shí)間，并任碳管應(yīng)用研發(fā)組組長。這段企業(yè)工作的經(jīng)歷，也給楊植今后的科研工作帶來了實(shí)實(shí)在在的影響。“做研究，就得解決實(shí)際問題”，他說。

2009年，來到溫州大學(xué)，楊植繼續(xù)從事電池方面的研究，這得益于浙江省碳材料技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的良好平臺(tái)。轉(zhuǎn)眼間，9年時(shí)間已過去，楊植在自己的領(lǐng)域也取得了諸多可喜成就。盡管團(tuán)隊(duì)規(guī)模不算大，由于溫州大學(xué)暫無博士點(diǎn)，學(xué)生里最高學(xué)位只有碩士，但楊植始終堅(jiān)持一步一步來。

“發(fā)展具有高比能量、低成本且對(duì)環(huán)境友好的新型鋰電池已成為目前鋰電池研究領(lǐng)域最亟待解決的課題之一。”楊植說道。而單質(zhì)硫由于具有理論比容量高、價(jià)格便宜、資源豐富以及對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是理想的正極材料。鋰硫電池已成為當(dāng)前高能量密度二次電池研究的一個(gè)重要突破口。盡管在理論上硫作為鋰電正極材料具備以上諸多優(yōu)點(diǎn)，然而，如要真正實(shí)現(xiàn)此類材料大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，有關(guān)硫正極的研究仍面臨一些科學(xué)和技術(shù)難題。比如，在鋰硫電池充放電的過程中，會(huì)生成具有一定可溶性的長鏈聚硫離子，當(dāng)其在正負(fù)極穿梭時(shí)，會(huì)析出難溶物阻礙活性物質(zhì)硫（或鋰）與電解液的接觸，造成電池容量的衰減。這種現(xiàn)象在鋰硫電池領(lǐng)域被稱為“穿梭效應(yīng)”（shuttle）。近年來，如何抑制聚硫離子的“穿梭效應(yīng)”提高電池的循環(huán)性能，也一直是鋰硫電池領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)和技術(shù)難題。

就目前的研究現(xiàn)狀來說，鋰硫電池距真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍有較大距離，而其中在硫正極仍有一些重要的技術(shù)瓶頸和基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待突破。正是基于此，楊植課題組近年來一直致力于鋰硫領(lǐng)域的研究。2015年，課題組利用二氧化鈦可以選擇性化學(xué)吸附硫這一特性，設(shè)計(jì)和開發(fā)出了基于石墨烯/二氧化鈦的超輕插層膜。由該插層膜所組裝的鋰硫電池在3C的放電電流下循環(huán)1000次后，展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials上，連續(xù)3年入選ESI高被引論文。在此基礎(chǔ)上，楊植還由部分生物小分子二硫蘇糖醇（DTT）在室溫下能自發(fā)剪斷存在于蛋白質(zhì)中的雙硫鍵，從而破壞蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)這一現(xiàn)象受到啟發(fā)，設(shè)計(jì)和開發(fā)出了基于二硫蘇糖醇/石墨烯的超輕插層膜，該膜能很好地利用DTT高效剪切雙硫鍵的特性，在聚硫離子出現(xiàn)的源頭直接有效控制的其形成、聚集等問題，使用該技術(shù)后所組裝的鋰硫電池在5C的放電電流下循環(huán)1100次后，仍展現(xiàn)了很好的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在ACS Nano上，入選ESI高被引論文。

對(duì)于鋰硫電池的研究，努力提高高倍率性能一直是一個(gè)重要課題。在未來鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域中，動(dòng)力電池將占據(jù)非常大的市場份額。而在大電流密度下，能否實(shí)現(xiàn)電池的穩(wěn)定充放電運(yùn)行也是評(píng)價(jià)動(dòng)力電池性能的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，如能充分利用超高溫處理后石墨烯、氮化硼材料自身好的導(dǎo)熱性能，能協(xié)同隔膜散熱，或許能很好地解決上述難題，而楊植課題組近年來也一直致力于鋰硫電池的高倍率性能研究。2016年，課題組報(bào)道設(shè)計(jì)和開發(fā)出了基于氮硫雙摻雜石墨烯的超輕插層膜，該膜能很好地發(fā)揮雙摻雜石墨烯高導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高效化學(xué)吸附硫的特性，并能協(xié)同保護(hù)隔膜等，使用該技術(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)鋰硫電池在8C下1000次的穩(wěn)定充放電，且電池最高可以在40C下運(yùn)行。相關(guān)結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A，并入選封面論文。在此基礎(chǔ)上，楊植及合作者還設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于氨基修飾氮化硼/石墨烯復(fù)合插層膜，該電池在3C下，能實(shí)現(xiàn)1000次的穩(wěn)定充放電，先關(guān)結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在Advanced Energy Materials上。另外，楊植及其合作者還發(fā)展了一種基于石墨烯/多孔氫化二硫化鈦的復(fù)合插層膜，將該膜應(yīng)用于鋰硫電池后，在30C下能實(shí)現(xiàn)千次的穩(wěn)定充放電。

基于這些工作，目前，在浙江省自然科學(xué)杰出青年基金的支持下，楊植團(tuán)隊(duì)正展開“高效聚硫離子轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計(jì)合成及對(duì)鋰硫電池的性能增強(qiáng)機(jī)理研究”。“我們想通過這樣一個(gè)項(xiàng)目，讓鋰硫電池性價(jià)比更高，充電更快，待機(jī)時(shí)間更長，更安全。”楊植說，當(dāng)前項(xiàng)目正在順利進(jìn)行。

致力燃料電池，清潔高效能源獲突破

除了鋰離子電池，燃料電池也是楊植一直研究的方向。

何為燃料電池？“燃料電池，從字面上看，是由燃料和電池兩個(gè)詞組成。燃料，通常是指能通過化學(xué)反應(yīng)釋放出能量的物質(zhì)。燃料有許多種，最常見的如煤炭、天然氣、乙醇等，它們的主要成分是含碳或碳?xì)溲趸衔铩６紵梢园讶剂纤N(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，然后再通過設(shè)備轉(zhuǎn)化成電能，如火力發(fā)電。但是這中間會(huì)產(chǎn)生很多損耗，燃料的利用率不高，而燃料電池就是直接能把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。”楊植介紹道，“它是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。”可見，燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)限制，因而能量轉(zhuǎn)化效率高，且無噪音無污染，正在成為理想的能源利用方式，更被稱為“最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)”。

但市面上的燃料電池并不多，因?yàn)檫@種電池需要催化劑來加以運(yùn)作，對(duì)催化劑的要求更高。受制于目前鉑基催化劑昂貴的成本和有限的使用壽命，燃料電池還無法被大規(guī)模應(yīng)用，因而開發(fā)新型廉價(jià)的非貴金屬催化劑，一直是燃料電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

據(jù)楊植介紹，其團(tuán)隊(duì)研究非貴金屬催化劑已有八九年的時(shí)間。在國家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等的資助下，楊植和黃少銘教授課題組，在不斷探索中，研制出了一種較為廉價(jià)的催化劑，更有望替代貴金屬鉑基催化劑，應(yīng)用在燃料電池中。該項(xiàng)研究結(jié)果已發(fā)表在Advanced Materials雜志上。

據(jù)楊植介紹，這是一種簡單的、通用的基于霧化乙醇輔助熱解途徑，來制備碳納米管陣列/過渡金屬氧化物（氧化錳、氧化鋅、氧化鎳、四氧化三鐵、二氧化鈦）復(fù)合材料的新方法，采用該法制備的二氧化錳/碳納米管陣列復(fù)合材料，在堿性環(huán)境中呈現(xiàn)優(yōu)異的氧還原電催化性能，可望作為一種替代的貴金屬鉑基催化劑，應(yīng)用在燃料電池陰極。

同時(shí)，課題組還開展了雜原子（包括硫、硒、碘等單或雙雜原子）摻雜碳材料作為燃料電池陰極氧還原催化劑的性能研究。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在ACS Nano、Chem. Commun.等國際重要學(xué)術(shù)期刊上。其中，2012年發(fā)表在ACS Nano的論文，在國際上率先報(bào)道了硫摻雜石墨烯氧還原電催化劑，該論文目前被引用1110次（谷歌學(xué)術(shù)搜索），入選ESI熱點(diǎn)論文和高被引論文。

由于是實(shí)驗(yàn)室少量制備，生產(chǎn)成本還不好準(zhǔn)確計(jì)算。“但我們相信日后如果大量制備，推向產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)成本就能大大降低，因?yàn)樘急旧聿⒉话嘿F。”楊植滿懷信心地說道。

育人因材施教，科研踏踏實(shí)實(shí)

除了科研工作，楊植也在承擔(dān)教學(xué)工作，對(duì)于人才的培養(yǎng)，這些年的經(jīng)驗(yàn)也讓他有了自己更多的心得和體會(huì)。“我覺得對(duì)于科研人才的培養(yǎng)，對(duì)于本科生、研究生的培養(yǎng)，更多地要切入實(shí)際。”楊植說道，而這恰恰也是他當(dāng)年的企業(yè)工作經(jīng)歷留下的深深感觸。“要做有用的科研，要解決實(shí)際問題。”

楊植會(huì)根據(jù)學(xué)生的具體和實(shí)際情況，為他們做出更好的幫助和指導(dǎo)。“如果他們想讀博，繼續(xù)深造，我會(huì)鼓勵(lì)他們學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，盡早去和自己的導(dǎo)師建立聯(lián)系；如果他們對(duì)工程方面或者對(duì)應(yīng)用和企業(yè)方面感興趣，那我會(huì)盡可能多地帶他們?nèi)テ髽I(yè)實(shí)踐，提前做好溝通交流，讓他們更早地去適應(yīng)。”此外，楊植還深有體會(huì)地說：“我覺得培養(yǎng)人才除了傳授知識(shí)之外，更重要的是要讓他看到問題，培養(yǎng)他們解決問題的能力。”看得出來，楊植最希望的就是能夠培養(yǎng)出“有用”的人才，能真正為國家做出貢獻(xiàn)的人才，并在自己的專業(yè)領(lǐng)域有一定影響的人才。

和碩士生在一起

同時(shí)，楊植表示，除了在基礎(chǔ)研究和理論研究上的突破應(yīng)用之外，他更希望能夠?qū)⒖蒲谐晒D(zhuǎn)化成產(chǎn)品，能夠讓產(chǎn)品真正進(jìn)入尋常百姓家。“因?yàn)樵谄髽I(yè)待過，腦子里面一直有這樣一個(gè)信念。”楊植說道。

在做科研的同時(shí)，還要承擔(dān)教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生的工作，同時(shí)要為科研爭取經(jīng)費(fèi)，楊植一人身兼數(shù)職，很多事都必須親力親為，承擔(dān)著多個(gè)角色的任務(wù)和使命，每天工作都在10多個(gè)小時(shí)以上。說起科研道路上的困難，楊植坦言，這些算在其中。以前楊植也有自己的興趣愛好，有時(shí)間就去打打球，但現(xiàn)在，他半開玩笑地說：“有時(shí)間看球都已經(jīng)很好。以前看NBA、看世界杯，現(xiàn)在能夠看看新聞就不錯(cuò)了。”盡管幾乎把所有時(shí)間都用在了科研事業(yè)上，但楊植的言語之外也流露出了滿足和自豪感。

至今，楊植已經(jīng)在溫州9年了，作為湖南人的他自稱現(xiàn)在也是一個(gè)“新溫州人”。溫州人自古有著鮮明的特色，做生意更是在全國出了名，有經(jīng)濟(jì)學(xué)家這樣形容“溫州人精神”：白手起家、艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神；不等不靠、依靠自己的自主精神；闖蕩天下、四海為家的開拓精神；敢于創(chuàng)新、善于創(chuàng)新的創(chuàng)造精神。而這種精神也深深影響和感染著楊植，“這里的領(lǐng)導(dǎo)和同事，都非常勤勞和勤奮，他們經(jīng)常犧牲休息時(shí)間去工作，為學(xué)院、為實(shí)驗(yàn)室、為學(xué)校發(fā)展去拼搏努力”。

踏踏實(shí)實(shí)做事，潛心深入做科研，一步一個(gè)腳印，這是楊植的做事風(fēng)格。在接下來的科研道路上，他還是會(huì)一如既往地堅(jiān)持著自己的原則和理念：“不需要把每一件事情做大，而要把每件事情都做精做好。”