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“小界面”撬動(dòng)“大能量”

——記自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“界面電化學(xué)”

本報(bào)記者 甘曉

在一個(gè)電池中，作為電極的固體與作為電解質(zhì)的液體交界的地方，會(huì)發(fā)生奇妙的變化。這里被稱為“界面”，通常只有不到20納米厚，但它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)足以對(duì)電池的效率和壽命產(chǎn)生顛覆性影響。

自2011年起，中國(guó)科學(xué)院院士、廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授孫世剛作為學(xué)術(shù)帶頭人，在連續(xù)3期國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱創(chuàng)新群體項(xiàng)目）支持下，圍繞“界面電化學(xué)”開(kāi)展深入研究。過(guò)去9年里，他們從基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，將原始創(chuàng)新的鏈條延長(zhǎng)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，讓“小界面”撬動(dòng)起“大能量”。

聚焦！從基礎(chǔ)到應(yīng)用

“界面電化學(xué)”創(chuàng)新群體項(xiàng)目始于2011年1月。基于廈門(mén)大學(xué)在電化學(xué)領(lǐng)域的深厚積累，孫世剛帶領(lǐng)該校科研人員獲得首期資助，于2013年12月順利結(jié)題并通過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）的考核，批準(zhǔn)給予第一次延續(xù)資助。

2014年1月至2016年12月，第二期項(xiàng)目結(jié)題后，該項(xiàng)目又通過(guò)自然科學(xué)基金委遴選、擇優(yōu)給予第二次延續(xù)資助。在2019年11月召開(kāi)的創(chuàng)新群體項(xiàng)目結(jié)題審查會(huì)議上，“界面電化學(xué)”獲得全體評(píng)審專家的一致認(rèn)可，以優(yōu)秀的成績(jī)順利通過(guò)驗(yàn)收。

得益于我國(guó)電化學(xué)奠基人之一田昭武先生對(duì)基礎(chǔ)研究應(yīng)貢獻(xiàn)于社會(huì)的倡導(dǎo)，創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員長(zhǎng)期重視應(yīng)用研究，已產(chǎn)生了大量基礎(chǔ)和應(yīng)用性成果。因此，孫世剛總結(jié)道，在“3+3+3”的創(chuàng)新群體項(xiàng)目中，研究人員從界面電化學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，越來(lái)越聚焦國(guó)家的重大需求?！拔覀兊谝黄谘芯?jī)?nèi)容把所有的界面過(guò)程都囊括進(jìn)來(lái)了，第二期內(nèi)容則重在拓展新體系，更加關(guān)注基本方法和理論的動(dòng)態(tài)發(fā)展?！?/span>

“到了第三期以后，大家就在商量，怎么能找到突破點(diǎn)，怎么把大家力量結(jié)合起來(lái)，真正解決一些重要的科學(xué)問(wèn)題，能夠?qū)?guó)家的需求作出一些貢獻(xiàn)?！睂O世剛說(shuō)。

在這一共識(shí)下，科研人員將新一期項(xiàng)目聚焦至能源領(lǐng)域。為讓基礎(chǔ)研究成果真正面向應(yīng)用，在第二期后期，趙金保被引進(jìn)至創(chuàng)新群體項(xiàng)目中。曾在鋰電池生產(chǎn)企業(yè)長(zhǎng)期從事研發(fā)工作的經(jīng)歷，使他對(duì)基礎(chǔ)研究的理解有著很強(qiáng)的應(yīng)用導(dǎo)向。幾年來(lái)，他帶領(lǐng)課題組在國(guó)內(nèi)率先成功研發(fā)第一代陶瓷功能隔膜和第二代具有多級(jí)溫度響應(yīng)功能的高安全性陶瓷隔膜，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)造了20多億元的產(chǎn)值。

趙金保介紹，目前具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代高安全性功能隔膜，利用了獨(dú)創(chuàng)的耐高溫超薄層立體再修飾技術(shù)，大幅提高了電池安全性。

孫世剛指出：“這9年3期項(xiàng)目的發(fā)展過(guò)程，不是僅僅圍繞一個(gè)科學(xué)目標(biāo)去發(fā)散，而是充分體現(xiàn)了在認(rèn)識(shí)科學(xué)問(wèn)題方面的不斷深化，大家做了很大的努力，從基礎(chǔ)研究做到了實(shí)際應(yīng)用?！?/span>

利器！方法學(xué)收獲豐厚

電化學(xué)對(duì)于界面的關(guān)注，已經(jīng)不是新聞?！敖缑姘l(fā)生的最重要過(guò)程就是電子轉(zhuǎn)移，也就是氧化還原反應(yīng)?！睂O世剛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“物質(zhì)到達(dá)界面，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移后變成其他物質(zhì)再離開(kāi)?！?/span>

要為燃料電池、高能二次電池及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域面臨的實(shí)際問(wèn)題尋找切實(shí)可行的解決方案，就必須通過(guò)更先進(jìn)的原位表征技術(shù)，“看清”界面原子結(jié)構(gòu)變化和分子反應(yīng)等動(dòng)態(tài)過(guò)程。

為此，創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員廖洪鋼設(shè)計(jì)、研制出液體芯片反應(yīng)池，發(fā)展了“電化學(xué)原位超高分辨透射電子顯微鏡”，實(shí)現(xiàn)了原子/分子尺度實(shí)時(shí)微結(jié)構(gòu)可視化的觀測(cè)和實(shí)時(shí)物質(zhì)元素價(jià)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)；任斌在國(guó)際上首次發(fā)展出電化學(xué)針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)（EC-TERS），將檢測(cè)靈敏度進(jìn)一步提高5~6個(gè)數(shù)量級(jí)；楊勇開(kāi)發(fā)的“高空間分辨電化學(xué)原位固體核磁共振技術(shù)”，在高比能二次鋰電池關(guān)鍵材料儲(chǔ)能機(jī)理、電極反應(yīng)規(guī)律及電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究上有著重要應(yīng)用。

有了這些“利器”，科學(xué)家在界面表征上收獲豐厚。例如，在高空間分辨固氣和固液界面表征方面，任斌課題組利用電化學(xué)針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，完成了雙金屬模型催化劑納米尺度空間分辨的電子性質(zhì)研究，有望發(fā)展為原位表征催化劑表面結(jié)構(gòu)及反應(yīng)過(guò)程與機(jī)理的新工具。在固液界面動(dòng)態(tài)表征方面，廖洪鋼課題組則利用高時(shí)/空分辨原位透射電鏡方法，首次觀察到固液界面新奇的動(dòng)態(tài)吸附層結(jié)構(gòu)。

在孫世剛看來(lái)，探索方法學(xué)實(shí)際上是一件非常辛苦的事。“要花很多精力，投入很大?！彼f(shuō)，“創(chuàng)新群體項(xiàng)目支持我們從源頭上基于科學(xué)認(rèn)識(shí)創(chuàng)新方法，發(fā)展出更先進(jìn)的儀器設(shè)備幫助我們認(rèn)識(shí)更多的新現(xiàn)象，又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了我們對(duì)界面本質(zhì)和科學(xué)問(wèn)題的深入理解。”

合作！優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)相融相長(zhǎng)

樂(lè)于合作的文化氛圍，是創(chuàng)新群體項(xiàng)目的一個(gè)特色。用創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員、中國(guó)科學(xué)院院士田中群的話說(shuō)叫做“合為貴”。田中群和孫世剛是在廈門(mén)大學(xué)讀本科時(shí)住在同一個(gè)宿舍的同學(xué)，多年的深厚友誼讓他們成為科研上的好伙伴。

“強(qiáng)調(diào)合作為貴，互相補(bǔ)臺(tái)而不是互相拆臺(tái)。”孫世剛指出。在創(chuàng)新群體項(xiàng)目支持下，廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院電化學(xué)學(xué)科的10多位教授發(fā)揮各自的強(qiáng)項(xiàng)，聯(lián)手共同解決關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

趙金?？磥?lái)，創(chuàng)新群體項(xiàng)目為開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域前沿科學(xué)研究提供了良好平臺(tái)，把從事不同方向工作的科學(xué)家凝聚在一起，完成思想火花碰撞。

例如，擅長(zhǎng)掃描微探針表征技術(shù)的毛秉偉與擅長(zhǎng)能源電化學(xué)基礎(chǔ)的董全峰緊密合作，用一種非傳統(tǒng)的電化學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)堿金屬表面的電化學(xué)拋光和固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）的原位成膜，不僅獲得了大范圍平整的金屬表面，而且構(gòu)筑了均勻光滑的SEI膜?！拔蚁嘈胚@項(xiàng)研究能夠解決產(chǎn)業(yè)界的一些實(shí)際問(wèn)題。”趙金保告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

到第三期創(chuàng)新群體項(xiàng)目結(jié)題答辯時(shí)，孫世剛看到團(tuán)隊(duì)樂(lè)于合作的氛圍在年輕一代研究人員中越來(lái)越濃厚。“我很高興，這個(gè)創(chuàng)新群體項(xiàng)目結(jié)束以后，不僅在廈門(mén)大學(xué)內(nèi)部形成了協(xié)作攻關(guān)的氛圍，而且與外面學(xué)校的課題組也形成了交叉合作，希望大家團(tuán)結(jié)起來(lái)共同解決科學(xué)難題?！?/span>

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2020-05-25 第2版 自然科學(xué)基金)

界面電化學(xué)：聚焦能源 前景可期

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：如何評(píng)價(jià)我國(guó)學(xué)者近年來(lái)在“界面電化學(xué)”方面取得的進(jìn)展？

孫世剛：經(jīng)過(guò)自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目連續(xù)三期的支持，創(chuàng)新群體項(xiàng)目成員主要在高指數(shù)晶面納米催化劑、電化學(xué)原位高時(shí)空分辨拉曼光譜、電化學(xué)能源體系界面微觀結(jié)構(gòu)和分子水平研究等3個(gè)方向上取得了不俗成績(jī)，引領(lǐng)國(guó)際研究前沿。

這顯著提升了以廈門(mén)大學(xué)電化學(xué)團(tuán)隊(duì)為代表的中國(guó)學(xué)者在國(guó)際學(xué)術(shù)界的影響力，也讓中國(guó)成為國(guó)際上一個(gè)重要的界面電化學(xué)研究中心。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：最近10年來(lái)，對(duì)界面電化學(xué)的研究從基礎(chǔ)研究走向了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，主要聚焦在哪個(gè)領(lǐng)域？

孫世剛：主要聚焦在能源領(lǐng)域。電化學(xué)作為一個(gè)學(xué)科，化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存過(guò)程是這個(gè)學(xué)科關(guān)注的一個(gè)主要問(wèn)題。最近幾年在自然科學(xué)基金的倡導(dǎo)下，我們基礎(chǔ)科學(xué)研究者立足學(xué)科、放眼國(guó)家重大需求，認(rèn)識(shí)到電化學(xué)在化石能源優(yōu)化清潔利用和新能源開(kāi)發(fā)中能夠發(fā)揮重要作用。比如，電化學(xué)可以直接把化石能源轉(zhuǎn)換成電能，是清潔的。同時(shí)，電化學(xué)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景也發(fā)展很快，包括燃料電池、電動(dòng)汽車等。

所以，我們專門(mén)把燃料電池電催化、高能二次電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等方向納入界面電化學(xué)的研究?jī)?nèi)容中。我們開(kāi)始從這些領(lǐng)域中的一些實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題出發(fā)，去逐步凝練出源頭科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：目前這三類電池的電化學(xué)研究中，什么方向是重點(diǎn)？

孫世剛：燃料電池商業(yè)化一直受阻于昂貴的鉑基催化劑。怎樣把催化劑效率提上去，同時(shí)把成本降下來(lái)，仍是未來(lái)研究重點(diǎn)。在這方面，我們?cè)谠槐碚骱屠碚摶瘜W(xué)的研究?jī)?yōu)勢(shì)下，從納米催化劑構(gòu)筑到燃料電池集成，實(shí)現(xiàn)納米—介觀—宏觀跨尺度的電催化表界面過(guò)程監(jiān)測(cè)和調(diào)控，力爭(zhēng)在超低鉑/非鉑燃料電池方面取得突破。

高能二次電池的研究重點(diǎn)應(yīng)放在研發(fā)新型高性能電極/電解質(zhì)材料、新型原位/工況表征分析技術(shù)，探索新型電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制和開(kāi)發(fā)新體系等方面。目前，我們已經(jīng)在鋰電池高安全性隔膜方面進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化工作。

對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，這些年發(fā)展很快，特別是在材料設(shè)計(jì)方面。但仍然面臨4個(gè)重要問(wèn)題，包括提高效率、提高穩(wěn)定性、解決鉛毒性、解決光激活效應(yīng)及滯后效應(yīng)等。其中很多問(wèn)題的本質(zhì)實(shí)際上涉及到鈣鈦礦電池界面的優(yōu)化，因此如何表征、優(yōu)化和調(diào)控鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面是關(guān)鍵，這正是界面電化學(xué)的優(yōu)勢(shì)。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：面向未來(lái)，除了能源領(lǐng)域的應(yīng)用外，界面電化學(xué)作為一個(gè)學(xué)科，還有可能在哪些方向上取得突破？

孫世剛：界面電化學(xué)是電化學(xué)的核心科學(xué)問(wèn)題。按照現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，未來(lái)有可能在基礎(chǔ)理論、基于非貴金屬催化劑的燃料電池、超高比能量密度和比功率密度儲(chǔ)能體系以及解決一些國(guó)家重大需求方面取得重要突破。

比如，基礎(chǔ)理論上通過(guò)超高時(shí)/空分辨實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合理論計(jì)算和模型模擬，進(jìn)一步理解界面結(jié)構(gòu)以及溶液、離子和電極表面的作用。燃料電池的非貴金屬催化劑則可以通過(guò)多功能的表界面構(gòu)筑提升性能。而在新儲(chǔ)能體系方面，超越傳統(tǒng)“離子—電子”的離域共軛儲(chǔ)能新機(jī)制則應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾暋?/span>

除了能源領(lǐng)域，相關(guān)研究還有望基于對(duì)鋼筋、混凝土界面復(fù)雜過(guò)程的研究實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕和安全性，以及開(kāi)發(fā)不銹鋼表界面構(gòu)筑和超高耐腐蝕防護(hù)新技術(shù)。這些新技術(shù)已經(jīng)并將進(jìn)一步在國(guó)家重大工程上應(yīng)用。

此外，面向國(guó)家微納制造產(chǎn)業(yè)的重大需求，金屬電沉積、電聚合、腐蝕和刻蝕等界面電化學(xué)過(guò)程，將在微納機(jī)電系統(tǒng)、微納結(jié)構(gòu)功能器件、半導(dǎo)體晶圓拋光、高端電子制造（芯片大馬士革銅互連、超大規(guī)模集成電路封裝和集成中的電子電鍍）等產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要作用。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2020-05-25 第2版 自然科學(xué)基金)