2020-03-20
张生:这张膜将转折燃料电池

 文质彬彬、不喜欢言辞,典型的学者风,初识天津大学化工学院特出青年教授张生,他给人云云的印象。

然而,当聊首他深耕了十几年的电化学钻研,张生刹时变了一幼我,滔滔不绝。不息和各栽电池打交道,并取得众项世界级钻研收获。张生坦言:“行使电化学原理开发整洁能源技术是吾的理想。”

近日,张生与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆爵士等人组相符,证实了石墨烯、氮化硼等二维原料具有质子传导性,并进一步发现,把自然界中普及存在的云母用于燃料电池的高温质子交换膜,比现在商用膜性能更优、更节能环保。这两项钻研收获别离发外活着界顶级学术期刊《自然·纳米》与《自然·通讯》上。

自幼与“电”结下不解之缘

“吾从本科到博士不息读的都是电化学专科,回想首来,吾从幼就对电稀奇益奇。”回忆首和电化学结缘,张生娓娓道来。中学时,张生最喜欢的化学实验就是拆开收音机用过的旧电池,把二氧化锰和锌做的电极插入碱性溶液中,就会产生电,让幼灯泡亮首来。“现在想来,干电池就是最浅易的电化学原理的行使,即将化学能转化为电能,专科术语叫作‘原电池’。”

2005年读钻研生时,张生第一次接触到了燃料电池,自此一干就是十几年。“燃料电池是一栽很棒的整洁能源技术,不受炎力学循环局限,能量转换效率极高,而且燃料电池发电过程的产物只有水,异国碳排放,特意环保。”张生感慨地说,“但那时吾国燃料电池钻研才刚首步,研发出来的燃料电池成本高,很难实现商业化。”

张生读博士的时候,重要的钻研倾向就是降矮燃料电池成本。他和所在的团队始末碳改性,增补廉价金属用量,达到了和用腾贵的铂金催化剂做电极相通的造就,电极成本极大降矮。

在燃料电池中,质子传导性能对于燃料电池能量转化效率特意关键。“那时只有全氟磺酸膜,技术垄断价格高而且不耐高温。燃料电池必要的质子传导膜既要特意薄,还要像一张‘网’相通,孔洞大幼只能让质子迅速始末且能阻截逆答物氢气的排泄。但那时原由吾的知识局限性,还不及以占有这个难题。”张生注释道。

带着这个遗憾,张生往了美国进走博士后钻研,主攻倾向是温室二氧化碳的电化学转化行使。在国外学习做事期间,工程案例他接触到了更众的原料学、化学、物理等方面的知识,这些新知识拓展了他的视野,但追求性能更优越的质子传导膜这个难题首终让他记忆犹新。

破解升迁燃料电池性能难题

张生的执着让他的人生轨迹再次与燃料电池产生交集,特出的钻研收获使张生获得欧盟卓异人才计划资助,到英国曼彻斯特大学做事,用心进走质子交换膜的难题钻研。

“追求能够做‘网’的二维原料这件事,说首来容易,但钻研过程也是一波三折。”张生说,按照各栽文献和之前的钻研,他们找到了石墨烯这栽二维原料,本以为找到了一张正当的“网”,但原形表明,这条路才刚刚最先。石墨烯原料是由碳的六元环组织构成的,相等担心详,必要以铜片为基底才能安详成石墨烯膜。但是铜不克让质子始末,所以还必要把安详的石墨烯从铜片上迁移下来。

“整整半年时间,吾们实验了炎压、冷压等二十众栽手段,但原由界面作用没那么强,迁移过程中石墨烯膜都侵害重要。”回忆首那时的情形,张生至今健忘,“吾那时的情感,和曼彻斯特的冬天相通,见不到阳光。”始末总结战败的方案,张生调整思路,首先找到一栽胶增补了界面强度,实现了石墨烯膜的完善迁移。

然而石墨烯膜并异国解决耐高温的题目,回国后,张生又找到和石墨烯组织相近一些原料,但都存在各栽题目。直到云母原料的展现,让张生如获珍宝。“云母在地壳中储量极其雄厚且价格矮廉,行使云母制备的云母质子膜能够知足各栽条件,而且行使温度能够从100℃延迟到500℃。”张生介绍说,云母膜质子传导率超过了现在商业化请求的两倍,行使于燃料电池后,异日电动汽车的走驶里程将会有很大挑高。

“吾们发展燃料电池这一整洁能源技术的初衷之一是缩短碳排放,而更益地缩短碳排放的手段是把二氧化碳变废为宝。”依托天津大学化学学院绿色相符成与转化哺育部重点实验室,张生始末逆向行使燃料电池的能量转化原理,始末电能睁开二氧化碳的碳氧分子键,添入氢将二氧化碳有选择性地转化为甲酸、乙烯和乙醇等有用的物质。

“固然这项钻研难度很大,但是做科研必要迎难而上的精神,吾信任始末全力,吾们的团队必定能开发出始末电化学途径转化二氧化碳云云一栽整洁能源技术。”面对异日,张生有余信念。

(责编:杜燕飞、王静) ,