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這位北大科學家，在三間小屋里描繪電池的未來
時間:2021-05-11 10:52來源:北京大學 作者:綜合報道
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引言
不久前，北大官微正式推出全新欄目“不一樣的科學家”，帶讀者“尋訪”北大校園中的一間間“寶藏實驗室”與它們的主人。
實驗室里“講規(guī)矩”
只要進入實驗室就必須佩戴全套護具，是郭少軍多年前在美國進行研究時養(yǎng)成的習慣。
“一旦發(fā)生意外情況，在平時也許可有可無的護具，就會成為保護生命和健康的最后屏障。”
郭少軍教授的實驗室在一棟二層小樓里。3個大體排成“品”字形的房間，占據(jù)了這棟樓二層的一角。在相當于右下方那個“口”的實驗室里，離心機、電爐和其它一些實驗設備的電機，不斷發(fā)出粗重的顫音，如同電池即將耗盡的錄音機在播放磁帶上的蜂鳴�？諝庵袕浡邷責Y材料散發(fā)出的難以名狀的氣味。但沒有人會否認，這似乎不太適合接待訪客的處所，可能孕育著電池技術的未來。也許，某種性能卓越的燃料電池，或是新概念的二次電池，就會從這一片氣味獨特的嘈雜中誕生。
郭少軍在實驗室工作
而來到相當于左下方那個“口”的實驗室，氣味會稍好一些。一具碩大的手套箱占據(jù)了一角的空間。它的內部充滿了氬氣，想要將藥品和試劑送到里面，需要經(jīng)過兩道氣密閘門，就像離開宇宙飛船進行太空行走的宇航員，在穿好艙外航天服之后，還要穿過特制的氣閘艙一樣。電池研究中會用到鋰、鈉和鉀等一些極為活潑的金屬，而氬氣環(huán)境的保護可以讓它們不至于自燃或是爆炸，而是成為可以上手直接操作的實驗材料。
郭少軍在操作手套箱
來到實驗室門前的時候，郭少軍已經(jīng)穿好了白色的實驗服，戴上了防護手套；他堅持等待一名學生從另一個房間取來護目鏡，而且兩人各自戴好，方才把手伸進手套箱，開始當天下午的實驗。只要進入實驗室就必須佩戴全套護具，是他多年前在美國進行研究時養(yǎng)成的習慣。
2011年初，在中國科學院長春應用化學研究所獲得博士學位后，郭少軍來到了美國布朗大學開展博士后研究。在這里，他重拾了自己在大學本科時就很感興趣的材料化學。他的合作導師精通無機材料化學，而美國大學的實驗室通常主要依靠科研項目來維持實驗室的運作，因此，郭少軍將研究方向調整為無機納米催化材料領域，聚焦于實驗室正在進行的催化劑項目。
“雖然好萊塢電影里的普通美國市民和美國大兵，常常會給人大大咧咧的印象。但實際上，在美國的高等學府和科研機構里，實驗室的管理是非常嚴格的。”郭少軍說，“比如說，只要進入實驗室，就必須戴上護目鏡，以及所有必要的護具。即使是并不上手操作的旁觀者，比如來到實驗室參觀的新聞記者，也需要如此而為。這是因為，一旦發(fā)生意外情況，在平時也許可有可無的護具，就會成為保護生命和健康的最后屏障。”
嚴謹邏輯是科學的開端
郭少軍實驗室文化的另一部分，則源于他在博士研究生學習時的導師——中國科學院院士汪爾康。多年來的勤奮工作，賦予了先生極佳的邏輯深度，也使郭少軍在求學和科研道路上獲益匪淺。
“來自老科學家的言傳身教，特別是專注于一個研究方向之后的不懈奮斗，成為我最大的收獲，也是要傳承給學生們的寶貴財富。”
郭少軍在美國學到的，不僅有對安全防護規(guī)則的重視，也有嚴謹?shù)目茖W邏輯。他回憶說，初到布朗大學的時候，他制作的學術演講幻燈片（PPT）常常會被合作導師批評，因為在兩頁幻燈片之間有時候會出現(xiàn)邏輯上的硬傷，有時候頁面不夠圖文并茂等等。這些細節(jié)上的不完美，便有可能使幻燈片陳述的內容缺乏說服力。事實上，美國高等研究機構一致非常重要系統(tǒng)嚴格精細的學術訓練，比如論文的題目、摘要和前言應該如何行文，應當如何有效地陳述自己的學術觀點等等。
郭少軍生活照
多年之后，這些學術訓練都被郭少軍吸收到自己的實驗室之中。他要求學生們注重科學研究的每個細節(jié)，撰寫論文的時候要展現(xiàn)出實驗的全貌，用提升“工作顯示度”且抓住重心描述的方式，展現(xiàn)出研究工作的科學意義，確保結果經(jīng)得起推敲；而在解釋研究結果的時候，又要將最通俗的語言建立在最嚴謹?shù)目茖W邏輯之上。
嚴謹邏輯與自由討論之間的平衡，也同樣為郭少軍所重視。當學生們在研究中遇到難題的時候，他通常會給出研究方向和細節(jié)上的指導；也有些時候，通過跟學生充滿發(fā)散思維的討論，則會找到更好的解決方案。還有些時候，他們會遇到百思不得其解的實驗現(xiàn)象，每當遇到這種情況，郭少軍便會建議學生們暫停下來，記錄下這個問題，避免獨自“鉆牛角尖”這樣的低效率行為。在參加業(yè)界學術會議時，通過與更多專業(yè)人士的廣泛討論交流，也許就獲得了問題的解決思路。
郭少軍與學生
郭少軍實驗室文化的另一部分，則源于他在博士研究生學習時的導師——中國科學院院士汪爾康。汪爾康院士與夫人董紹俊院士（第三世界科學院院士），都是我國著名的分析化學家。兩位先生對科學探索極為執(zhí)著，而且崇尚終身學習。幾十年如一日，兩位先生每天都會工作大約14-15個小時，而且全年無休。有兩次，他們因為在春節(jié)除夕夜加班工作得太晚，以至于被研究所安保人員誤鎖在樓里無法離開。
多年來的勤奮工作，賦予了兩位先生極佳的邏輯深度，也使郭少軍在求學和科研道路上獲益匪淺。他回憶說，每次為科研難題與導師討論的時候，他都能得到思路上的指引，而且往往能得到不止一個解決方案。來自兩位老科學家的言傳身教，特別是專注于一個研究方向之后的不懈奮斗，成為他最大的收獲，也是要傳承給學生們的寶貴財富。
“三駕馬車”牽引著的未來電池
完成電化學反應的膜電極，是中國面臨的“卡脖子”技術之一。正是打破“卡脖子”局面的宏愿，促使郭少軍回國并且開始了自己的新能源電池研究計劃。
在布朗大學完成博士后研究之后，郭少軍又來到著名的洛斯·阿拉莫斯國家實驗室工作。這座美國最大的國家實驗室，曾是人類第一枚原子彈的誕生之地。郭少軍則獲得了以“原子彈之父”羅伯特·奧本海默命名的“奧本海默學者”稱號，可以運用美方資助的科研經(jīng)費，在實驗室提供的設備和平臺框架下，自行決定研究的領域和方向。
在這里，郭少軍研究起新型半導體光電材料。而這段看似“跑題”的研究經(jīng)歷，卻使他意外地得到了進一步探索光催化制氫的靈感與積累。
郭少軍并不愿意花更多時間談及他在美國的這些成功科研經(jīng)歷。因為氫燃料電池的幾個主要模塊，時至今日仍然是中國面臨的“卡脖子”技術。而作為它的“心臟”，完成電化學反應的膜電極，便是“卡脖子”技術之一。在這個領域取得突破，無疑要比追溯往昔的成就更有吸引力。也正是打破“卡脖子”局面的宏愿，促使他回國并且開始了自己的新能源電池研究計劃。
現(xiàn)代生活很大程度是建構在電池之上，比如鋰電池，其為移動電話、筆記本電腦和其他一些電子設備提供電能，也為現(xiàn)在越來越流行的純電動汽車所用。然而，鋰電池能量密度急需提升，充電時間也需要加快。相比之下，氫燃料電池成為另一種可靠選擇，它通過氫氣和氧氣的電化學反應來產(chǎn)生電能。不過，即使氫燃料電池大展宏圖，鋰電池也仍然大有用武之地。
由3間不起眼的小屋組成的“電池王國”，就代表著郭少軍對電池技術發(fā)展趨勢的看法。他和學生們主要致力于氫燃料電池領域的攻關，同時也在嘗試研制新的鋰電池材料，也研究介于傳統(tǒng)鋰電池和燃料電池之間的“鋰-空氣”電池，因為它們在未來世界都將各有用武之地。
郭少軍在實驗室工作
在手套箱的對面，安放著一個個像是服務器的電池測試儀，正測試著一枚枚CR2032型號的電池樣品。這些電池與電子詞典常用的紐扣電池很像，但其實只是外觀相像，里面早已“脫胎換骨”，換上了實驗室自行設計的原型“內核”。經(jīng)過不斷的設計和測試，更有應用前景的電池新材料便會脫穎而出。
兩者之間的實驗臺上，除了光催化制綠氫的實驗裝置，還擺放著郭少軍的學生們制作的原型“鋰-空氣”電池。前者是要為燃料電池尋找穩(wěn)定的燃料供應，后者則是另辟蹊徑的探索。在調料罐大小的裝置內部，便是“鋰-空氣”電池的“核心”。它們以鋰作為負極，以空氣中的氧氣作為正極反應物，所以需要使用閥門來控制進氣量。負極的鋰釋放電子，而后會成為鋰離子，穿過電池里的電解質材料，與正極的氧氣結合生成過氧化鋰。這個過程使“鋰-空氣”電池產(chǎn)生電能，能量密度遠高于傳統(tǒng)的鋰離子電池。
攻克“卡脖子”，實現(xiàn)“碳中和”
綠水青山就是金山銀山。
在2020年9月11日應邀參加了習近平總書記主持召開的科學家座談會后，郭少軍備受鼓舞。他的研究團隊正在積極響應總書記“碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略，全力攻關燃料電池和氫能相關的卡脖子技術，希望能打破西方發(fā)達國家的技術封鎖。
目前，中國通過使用鋰電池驅動的純電動汽車，實現(xiàn)了部分環(huán)境保護目標，但這還遠遠不夠。純電動汽車使用的電能往往來自化石燃料。另一方面，鋰電池在全壽命周期中仍然會帶來一定的污染。不可否認，鋰電池在未來會有很大用武之地；但在交通工具新能源電池這一應用領域，使用氫參與電化學反應產(chǎn)生電能的燃料電池會在未來占據(jù)越來越大的比重。這是因為，制氫的能量來源可以是完全沒有碳排放的風能或太陽能，制氫原料則可以是水。
特別是近年來，綠水青山就是金山銀山的理念日益深入人心，總書記新近提出的“碳達峰”、“碳中和”理念，更釋放出國家對新能源和環(huán)境保護領域的高度重視。在2020年9月11日應邀參加了習近平總書記主持召開的科學家座談會后，郭少軍更是備受鼓舞。他的研究團隊正在積極響應總書記“碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略，全力攻關燃料電池和氫能相關的卡脖子技術，希望能打破西方發(fā)達國家的技術封鎖。
郭少軍解釋說，他主要研究燃料電池和氫能的膜電極模塊，目前缺乏自主產(chǎn)權的高性能膜電極長期制約我國燃料電池技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。而在膜電極模塊中，催化劑又是核心中的核心，直接決定了燃料電池的綜合性能。目前，最好的燃料電池催化劑體系是使用自然界中儲量很少的鉑（白金）。郭少軍團隊想要達成的終極目標，便是將每個車用燃料電池的鉑用量，從目前的30～40克減少到5克。我們知道傳統(tǒng)燃油車的尾氣處理裝置里，會使用5克鉑催化劑。氫燃料電池汽車顯然不需要處理尾氣，所以，如果它的鉑用量能減少到與燃油車持平的程度，便意味著它將會大展宏圖，使人類收獲清潔出行的未來。而郭少軍團隊正在進行的工作，將會加快我國在這個領域的發(fā)展步伐。
人物簡介
郭少軍，北京大學博雅特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者、英國皇家化學會會士、全球高被引學者、斯坦福大學全球頂尖科學家、愛思唯爾中國高被引學者。長期致力于將國家重大需求與基礎研究相結合，重點研究燃料電池、氫能與儲能電池。發(fā)展了高性能原子、亞納米和納米催化材料設計的思想，提出了材料應變調控催化的新方式，率先揭示了材料本征拉應變和雙軸應變調控催化材料電子結構與催化性能的化學機制，研制出了系列新概念電/光催化材料，顯著提升了燃料電池和氫能催化性能，解決了能源小分子反應動力學慢的關鍵難題，有力推動了材料、化學和能源的交叉與融合。榮獲首屆科學探索獎、中國青年科技獎、茅以升北京青年科技獎和中國化學會-英國皇家化學會青年化學獎。
(責任編輯：子蕊)
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