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【西迁新传人】杨卷:为实现新型储能碳材料国产化作贡献

来源:交大新闻网 日期:2021-09-13 10:01 浏览量:

近日,记者在创新港实验室里见到了化工学院副教授、博士生导师杨卷,他穿着实验服,正专心致志观测和调试新近定制的高温炭化炉运行情况。

“这是我们制备碳材料必须要用到的炉子,不同类型的炉子功能不同,有的炉子在锻烧物料的时候还需要加入特定气体,来制备不同性质的碳材料……现在我国高端碳材料大部分依赖进口,我们的目标是实现新型储能碳材料的国产化。”杨卷坚定地说。

碳材料家族非常庞大,可以说是一种古老而又年轻的材料,公元前就有使用碳材料的记载,随着先进表征技术的发展和革新,一些新型碳材料逐步被发现和熟知,包括碳纤维、多孔碳、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等。碳材料具有密度小、强度大、耐高温、抗疲劳、热膨胀系数小、生理相容性好等一系列优异性能,是军民两用的化工新材料。新型碳材料的发展和应用对提高军事国防实力和工业产品竞争力都是至关重要的,已经成为衡量一个国家科技水平、军事和经济实力的标志之一。

国之所需,吾之所向

十年来,杨卷一直专注于新型碳材料及其复合材料研究,尤其聚焦碳材料应用于新能源储能领域,主要研究方向为碳基能源材料的选控制备及原位表征技术开发等。

谈到储能,人们很容易想到电池,但当前的电池技术在电网级储能、超级快充以及稳定性等方面还存在差距。现有的储能系统主要分为五类:机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能。在大规模储能系统中,应用最为广泛的抽水蓄能和压缩空气储能等传统的储能方式正在经历不断改进和创新,电化学储能近年来异军突起,正成为发展趋势,而电化学储能的发展依赖于多孔碳、石墨/石墨烯等新型碳电极材料的开发。

“通俗地说,我目前主要研究超级电容和锂/钠电池用碳材料,就是将碳材料及其复合材料作为工作电极,应用于电化学储能装置。期待能解决国家在新能源利用、存储方面的技术难题,为我国实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标作出贡献。国之所需,吾之所向。”杨卷说。

利用先进的表征技术探究功能材料的形成及其作用机制也是新能源储能技术领域研究的难点问题之一。时间回溯到2011年,杨卷在大连理工大学邱介山教授领导的学术团队攻读研究生时,主要从事二维层状材料的结构调控方法学及其与功能碳材料的耦合策略等方面的研究,并在金属氢氧化物(如LDH)的生长与构效关系等方面取得了系列的创新成果。但随着研究的深入,他们发现对于非层状二维材料,如具有岩盐结构的二维金属氧化物或硫化物,其形成机制至今尚不清楚,合成过程依然是一个“黑箱”,无法实现与碳材料的有效复合与精准调控。他们设想能否通过先进的原位表征技术手段实现这个“黑箱”的可视化。在博士生导师邱介山教授的推荐下,当时还是博士生的杨卷到美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)联合培养,并与国际知名学者郑海梅教授在原位液相透射电镜的表征与应用等方面开展合作研究。

“我是学化工出身,最关注的是制备新型材料过程中涉及的‘三传一反’(动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程),我们的研究必须从中找出规律和原理。”刚到美国的半年,杨卷从事的都是基础研究工作,例如电镜操作、实验台搭建、原位试验等,“最枯燥的是需要整理和分析大量的实验数据”,后面半年多,杨卷的研究有了突破性进展。

他利用原位液相透射电镜表征技术,在国际上首次成功地观察到过渡金属基二维氧化物(氧化钴、二元镍钴氧化物等)的原位形成及形貌演变过程,采集了大量可视化的图像数据,通过探究相邻氧化物纳米晶之间的相互作用,在原子水平和介观尺度上揭示了二维氧化物的取向连接机制。这一重要发现,与先前人们对非层状二维材料形成机理(3D纳米晶取向连接或模板导向生长)之认知明显不同。这一突破性研究成果,历经四年多的时间,以“纳米颗粒作为中间态的二维过渡金属氧化物原位形成机制”(Formation of two-dimensional transition metal oxide nanosheet with nanoparticles as intermediates)为题,于2019年7月8日发表在著名学术刊物《自然•材料》(Nature Materials)上。论文第一作者是杨卷,邱介山教授、Lin-Wang Wang教授和郑海梅教授为论文的共同通讯作者。

研究成果既要上书架也要上货架

美国国家实验室的科研机制也留给杨卷深刻的印象:以重大项目为牵引组织课题组,为了解决课题中的技术难题,有时是行业共性技术难题,不同专业领域的专家通力合作、联合攻关。

杨卷于2017年9月加入新太阳城化工学院。学校浓厚的学术氛围和陕西的资源禀赋是吸引他的主要原因,创新港的建设更让他心潮澎湃。“美国的学习经历对我触动很大,他们的科研人员思维非常活跃,我们丝毫不能懈怠。创新港现在的科研模式已转变成以项目为牵引、以原创性基础研究和企业需求为主导,这对科研人员来说是非常好的机会。”

入职以来,杨卷承担《化工原理》等课程的助教和辅讲等授课任务,主持国家自然科学基金、国家重点研发项目子课题、陕煤联合基金项目课题以及企业横向课题等10余项。在Nat. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano等本学科领域国际知名学术刊物上发表论文40余篇。其中7篇论文被选为封面文章,发表论文多次被Nature、Nat. Mater.等期刊引用和专题评述。获辽宁省优秀博士论文、陕西省科学技术二等奖、辽宁省自然科学学术成果一等奖、新太阳城“十大学术新人”等各类奖励和表彰20余次。担任中国化工学会化学工程专业委员会以及中国能源学会新能源委员会委员等。

杨卷说:“做科研,发文章不是最终目的,应用才是科研成果的‘试金石’。科研成果既要上书架,也要上货架。”

说起来容易做起来难。在实验室环境下制备一小块新型碳材料和工业化大规模制备碳材料之间,还有一段很长的路要走。杨卷举了一个例子:“作为化工学院化工研究所团队的成员,我的研究小组一直与延长石油、陕煤等企业开展碳材料科研合作,共同开发储能活性炭、石墨烯等一系列产品。我们发现在实验室小炉子里制备新型碳材料没什么问题,但是当进一步扩大规模时,炉内就会出现物料受热不均、恒温区面积小、材料性能不稳定等问题。”为了解决这些问题,杨卷他们与高温炭化炉厂家反复沟通,通过炉型设计,不断扩大恒温区面积,多次调试,正一点点为工业化大规模制备新型碳材料扫清各种障碍。

目前,进口碳材料一吨的成本价在30万元左右,高昂的价格使得与之相关的新能源产业如新能源汽车等发展受限。新能源汽车对储能器件的要求越来越高,这就意味着对电极材料的要求也越来越高,新能源汽车企业需要电极材料有更低的价格、更好的稳定性和更长的续航能力。

“新能源、储能这些领域都是我们攻关的目标。国内以碳材料作为电极材料的原创性研究成果较为短缺,我们的目标就是致力于把这些高端碳材料实现国产化、工业化,把他们的成本降下来。”杨卷目前科研攻关的重点是通过调整碳材料的结构,探索新型碳材料及其复合材料作为储能器件在极端气候条件下的容量和稳定性等。

2020年,新太阳城创办储能科学与工程专业获得教育部批准,成为全国首个创办储能专业的高校。这让杨卷兴奋不已:“储能专业的创办就像给我们打了个‘强心针’。创新港作为科研平台非常好,目前我们实验室用到的设备80%都是国产的,表征技术也达到了前所未有的高度——创新港大型仪器设备共享实验中心的各种电镜、光谱仪等就像我们吃饭用的‘筷子’,一天也不能缺。假以时日,创新港一定能成为科技创新、科技成果转移转化的高地。”

在教学和科研中,杨卷始终以化学工程的知识与背景指导新型碳材料制备。他说:“陕西资源富集,也面临着传统化工行业转型升级的问题,煤/石油化工副产物如何实现高附加值转化,就是化工、材料、能源学科的交叉融合发展方向。煤炭里富含大量芳香烃结构单元,我们通过对煤炭进行预处理,制备新型高端碳材料,这样既可以助推煤炭化工行业高质量发展,也有助于‘双碳’目标的实现。目标有多远,脚下的路就有多远。科研是用99%的艰辛和汗水,换取1%的成功和喜悦,既然选了科研这条路,就要用短短几十年的光阴,给国家和社会留下些什么!”

文字:李莉
图片:李莉
编辑:朱凡煜

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