潛心科研 精細至微
——記溫州大學化學與材料工程學院材料系系主任楊植

□ 倪海波

“充電5分鐘，通話2小時”，一句不靠情懷也不靠文采卻足夠有沖擊力的廣告詞，吸引了無數的消費者，一直從熒屏內火到了熒屏外。這句簡單有力的廣告語充分證實了充電快、續航久的“硬實力”，是現代電子產品的發展訴求。而要實現這一目標，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？這也是相關科研人員爭相研究的熱點，浙江溫州大學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。從2003年開始至今，他已在這一領域堅持了15年，并取得了多項可喜成績。他這樣給自己定位：“我做事的風格就是不求做多大，而是要做得精，做得要有特色，要有用。”

敢于突破瓶頸，鋰硫電池研究創新多

隨著新能源技術的飛速發展，人們對日常電子消費品以及電動汽車等的需求也在不斷提升，而這也對二次電池的性能提出了更高的要求。電子信息時代，幾乎人人都離不開手機或電腦。同時，人們也有一個非常直觀的需求，那就是希望電子產品“待機時間越來越長，充電時間越來越短，價格越來越便宜”，而楊植目前正在研究的鋰硫電池就有可能實現這些目標。

“從2003年到現在已經有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用。”楊植說道，在湖南大學博士畢業后，他還在北京天奈科技有限公司工作了一年多時間，并任碳管應用研發組組長。這段企業工作的經歷，也給楊植今后的科研工作帶來了實實在在的影響。“做研究，就得解決實際問題”，他說。

2009年，來到溫州大學，楊植繼續從事電池方面的研究，這得益于浙江省碳材料技術研究重點實驗室提供的良好平臺。轉眼間，9年時間已過去，楊植在自己的領域也取得了諸多可喜成就。盡管團隊規模不算大，由于溫州大學暫無博士點，學生里最高學位只有碩士，但楊植始終堅持一步一步來。

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

就目前的研究現狀來說，鋰硫電池距真正的產業化應用仍有較大距離，而其中在硫正極仍有一些重要的技術瓶頸和基礎科學問題亟待突破。正是基于此，楊植課題組近年來一直致力于鋰硫領域的研究。2015年，課題組利用二氧化鈦可以選擇性化學吸附硫這一特性，設計和開發出了基于石墨烯/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1000次后，展現了優異的循環穩定性，相關研究結果發表在Advanced Materials上，連續3年入選ESI高被引論文。在此基礎上，楊植還由部分生物小分子二硫蘇糖醇（DTT）在室溫下能自發剪斷存在于蛋白質中的雙硫鍵，從而破壞蛋白質的三維結構這一現象受到啟發，設計和開發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，在聚硫離子出現的源頭直接有效控制的其形成、聚集等問題，使用該技術后所組裝的鋰硫電池在5C的放電電流下循環1100次后，仍展現了很好的循環穩定性。相關結果已經發表在ACS Nano上，入選ESI高被引論文。

對于鋰硫電池的研究，努力提高高倍率性能一直是一個重要課題。在未來鋰電池的應用領域中，動力電池將占據非常大的市場份額。而在大電流密度下，能否實現電池的穩定充放電運行也是評價動力電池性能的一個重要指標。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熱性能，能協同隔膜散熱，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，課題組報道設計和開發出了基于氮硫雙摻雜石墨烯的超輕插層膜，該膜能很好地發揮雙摻雜石墨烯高導電、導熱、高效化學吸附硫的特性，并能協同保護隔膜等，使用該技術可以幫助實現鋰硫電池在8C下1000次的穩定充放電，且電池最高可以在40C下運行。相關結果已經發表在Journal of Materials Chemistry A，并入選封面論文。在此基礎上，楊植及合作者還設計開發了一種基于氨基修飾氮化硼/石墨烯復合插層膜，該電池在3C下，能實現1000次的穩定充放電，先關結果已經發表在Advanced Energy Materials上。另外，楊植及其合作者還發展了一種基于石墨烯/多孔氫化二硫化鈦的復合插層膜，將該膜應用于鋰硫電池后，在30C下能實現千次的穩定充放電。

基于這些工作，目前，在浙江省自然科學杰出青年基金的支持下，楊植團隊正展開“高效聚硫離子轉化催化劑的設計合成及對鋰硫電池的性能增強機理研究”。“我們想通過這樣一個項目，讓鋰硫電池性價比更高，充電更快，待機時間更長，更安全。”楊植說，當前項目正在順利進行。

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詞組成。燃料，通常是指能通過化學反應釋放出能量的物質。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氫氧化合物。而燃燒可以把燃料所蘊含的化學能轉化成熱能，然后再通過設備轉化成電能，如火力發電。但是這中間會產生很多損耗，燃料的利用率不高，而燃料電池就是直接能把化學能轉化為電能。”楊植介紹道，“它是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。”可見，燃料電池直接將化學能轉化為電能而不必經過熱機過程，不受卡諾循環限制，因而能量轉化效率高，且無噪音無污染，正在成為理想的能源利用方式，更被稱為“最有發展前途的發電技術”。

但市面上的燃料電池并不多，因為這種電池需要催化劑來加以運作，對催化劑的要求更高。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模應用，因而開發新型廉價的非貴金屬催化劑，一直是燃料電池研究領域的熱點和難點之一。

據楊植介紹，其團隊研究非貴金屬催化劑已有八九年的時間。在國家自然科學基金和浙江省自然科學基金等的資助下，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的催化劑，更有望替代貴金屬鉑基催化劑，應用在燃料電池中。該項研究結果已發表在Advanced Materials雜志上。

據楊植介紹，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/碳納米管陣列復合材料，在堿性環境中呈現優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，應用在燃料電池陰極。

同時，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。相關研究結果發表在ACS Nano、Chem. Commun.等國際重要學術期刊上。其中，2012年發表在ACS Nano的論文，在國際上率先報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（谷歌學術搜索），入選ESI熱點論文和高被引論文。

由于是實驗室少量制備，生產成本還不好準確計算。“但我們相信日后如果大量制備，推向產業化，生產成本就能大大降低，因為碳本身并不昂貴。”楊植滿懷信心地說道。

育人因材施教，科研踏踏實實

除了科研工作，楊植也在承擔教學工作，對于人才的培養，這些年的經驗也讓他有了自己更多的心得和體會。“我覺得對于科研人才的培養，對于本科生、研究生的培養，更多地要切入實際。”楊植說道，而這恰恰也是他當年的企業工作經歷留下的深深感觸。“要做有用的科研，要解決實際問題。”

楊植會根據學生的具體和實際情況，為他們做出更好的幫助和指導。“如果他們想讀博，繼續深造，我會鼓勵他們學好基礎知識的同時，盡早去和自己的導師建立聯系；如果他們對工程方面或者對應用和企業方面感興趣，那我會盡可能多地帶他們去企業實踐，提前做好溝通交流，讓他們更早地去適應。”此外，楊植還深有體會地說：“我覺得培養人才除了傳授知識之外，更重要的是要讓他看到問題，培養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出“有用”的人才，能真正為國家做出貢獻的人才，并在自己的專業領域有一定影響的人才。

和碩士生在一起

同時，楊植表示，除了在基礎研究和理論研究上的突破應用之外，他更希望能夠將科研成果轉化成產品，能夠讓產品真正進入尋常百姓家。“因為在企業待過，腦子里面一直有這樣一個信念。”楊植說道。

在做科研的同時，還要承擔教學和培養學生的工作，同時要為科研爭取經費，楊植一人身兼數職，很多事都必須親力親為，承擔著多個角色的任務和使命，每天工作都在10多個小時以上。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，有時間就去打打球，但現在，他半開玩笑地說：“有時間看球都已經很好。以前看NBA、看世界杯，現在能夠看看新聞就不錯了。”盡管幾乎把所有時間都用在了科研事業上，但楊植的言語之外也流露出了滿足和自豪感。

至今，楊植已經在溫州9年了，作為湖南人的他自稱現在也是一個“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，有經濟學家這樣形容“溫州人精神”：白手起家、艱苦奮斗的創業精神；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；敢于創新、善于創新的創造精神。而這種精神也深深影響和感染著楊植，“這里的領導和同事，都非常勤勞和勤奮，他們經常犧牲休息時間去工作，為學院、為實驗室、為學校發展去拼搏努力”。

踏踏實實做事，潛心深入做科研，一步一個腳印，這是楊植的做事風格。在接下來的科研道路上，他還是會一如既往地堅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。”