張生在實驗室陳曦攝
文質彬彬、不愛言辭，典型的學者風，初識天津大學化工學院優秀青年教授張生，他給人這樣的印象。
然而，當聊起他深耕了十幾年的電化學研究，張生瞬間變了一個人，侃侃而談。一直和各種電池打交道，並取得多項世界級研究成果。張生坦言：“利用電化學原理開發清潔能源技術是我的理想。”
近日，張生與英國曼徹斯特大學諾貝爾物理學獎得主安德烈·海姆爵士等人合作，證實了石墨烯、氮化硼等二維材料具有質子傳導性，並進一步發現，把自然界中廣泛存在的雲母用於燃料電池的高溫質子交換膜，比目前商用膜性能更優、更節能環保。這兩項研究成果分別發表在世界頂級學術期刊《自然·納米》與《自然·通訊》上。
自小與“電”結下不解之緣
“我從本科到博士一直讀的都是電化學專業，回想起來，我從小就對電特別好奇。”回憶起和電化學結緣，張生娓娓道來。中學時，張生最喜歡的化學實驗就是拆開收音機用過的舊電池，把二氧化錳和鋅做的電極插入鹼性溶液中，就會產生電，讓小燈泡亮起來。“現在想來，乾電池就是最簡單的電化學原理的應用，即將化學能轉化為電能，專業術語叫作‘原電池’。”
2005年讀研究生時，張生第一次接觸到了燃料電池，自此一干就是十幾年。“燃料電池是一種很棒的清潔能源技術，不受熱力學循環限制，能量轉換效率極高，而且燃料電池發電過程的產物只有水，沒有碳排放，非常環保。”張生感慨地說，“但當時我國燃料電池研究才剛起步，研發出來的燃料電池成本高，很難實現商業化。”
張生讀博士的時候，主要的研究方向就是降低燃料電池成本。他和所在的團隊通過碳改性，增加廉價金屬用量，達到了和用昂貴的鉑金催化劑做電極一樣的效果，電極成本極大降低。
在燃料電池中，質子傳導性能對於燃料電池能量轉化效率非常關鍵。“當時只有全氟磺酸膜，技術壟斷價格高而且不耐高溫。燃料電池需要的質子傳導膜既要非常薄，還要像一張‘網’一樣，孔洞大小隻能讓質子快速通過且能阻擋反應物氫氣的滲透。但當時由於我的知識侷限性，還不足以攻克這個難題。”張生解釋道。
帶著這個遺憾，張生去了美國進行博士後研究，主攻方向是溫室二氧化碳的電化學轉化利用。在國外學習工作期間，他接觸到了更多的材料學、化學、物理等方面的知識，這些新知識拓展了他的視野，但尋找性能更優良的質子傳導膜這個難題始終讓他念念不忘。
破解提升燃料電池性能難題
張生的執著讓他的人生軌跡再次與燃料電池產生交集，優異的研究成果使張生獲得歐盟傑出人才計劃資助，到英國曼徹斯特大學工作，專心進行質子交換膜的難題研究。
“尋找能夠做‘網’的二維材料這件事，說起來容易，但研究過程也是一波三折。”張生說，根據各種文獻和之前的研究，他們找到了石墨烯這種二維材料，本以為找到了一張合適的“網”，但事實證明，這條路才剛剛開始。石墨烯材料是由碳的六元環結構組成的，十分不穩定，需要以銅片為基底才能穩定成石墨烯膜。但是銅不能讓質子通過，因此還需要把穩定的石墨烯從銅片上轉移下來。
“整整半年時間，我們實驗了熱壓、冷壓等二十多種方法，但由於界面作用沒那麼強，轉移過程中石墨烯膜都破損嚴重。”回憶起當時的情形，張生至今難忘，“我當時的心情，和曼徹斯特的冬天一樣，見不到陽光。”通過總結失敗的方案，張生調整思路，最終找到一種膠增加了界面強度，實現了石墨烯膜的完美轉移。
然而石墨烯膜並沒有解決耐高溫的問題，回國後，張生又找到和石墨烯結構相近一些材料，但都存在各種問題。直到雲母材料的出現，讓張生如獲至寶。“雲母在地殼中儲量極其豐富且價格低廉，使用雲母製備的雲母質子膜可以滿足各種條件，而且使用溫度可以從100℃延伸到500℃。”張生介紹說，雲母膜質子傳導率超過了目前商業化要求的兩倍，應用於燃料電池後，未來電動汽車的行駛里程將會有很大提高。
“我們發展燃料電池這一清潔能源技術的初衷之一是減少碳排放，而更好地減少碳排放的辦法是把二氧化碳變廢為寶。”依託天津大學化學學院綠色合成與轉化教育部重點實驗室，張生通過反向利用燃料電池的能量轉化原理，通過電能打開二氧化碳的碳氧分子鍵，加入氫將二氧化碳有選擇性地轉化為甲酸、乙烯和乙醇等有用的物質。
“雖然這項研究難度很大，但是做科研需要迎難而上的精神，我相信通過努力，我們的團隊一定能開發出通過電化學途徑轉化二氧化碳這樣一種清潔能源技術。”面對未來，張生充滿信心。（陳 曦）
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