Wiley人物访谈——南开大学牛志强

编者按|今日的优秀青年学者系列访谈我们将对话南开大学化学学院的牛志强研究员,他在深入浅出地介绍柔性储能器件的现状和未来发展方向的同时,也给我们兴致勃勃地讲述了由“一个馒头”引发的实验故事。在“Key to Happy Lab Life”这个问题上来看看他会怎么回答。

人物简介:牛志强,南开大学化学学院研究员,国家“青年千人”,国家“优青”,天津市“杰青”,2010年博士毕业于中国科学院物理研究所,2010年-2014年在新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院从事博士后研究,2014年入职南开大学化学学院,目前主要从事碳纳米材料可控组装及其在柔性储能器件方面的应用研究;已在Chem. Soc. Rev. Nat.  Commun.Adv. Mater.等期刊发表SCI论文70余篇,授权国内外发明专利5项,参编3部英文著作章节。入选国际电化学能源科学院委员会委员、中国电工技术学会超级电容器与储能技术委员会委员、天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才、Chinese Chemical Letters编委。

(摄于南开校园,由被访者(右一)提供)

Introduction

MVC:能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作?

NZQ:我们课题组的研究工作主要是碳纳米材料柔性储能器件的材料设计与器件组装。随着电子技术的不断发展,便携式电子器件及产品在不断小型化和轻量化,这对新一代储能器件提出了“轻、薄、柔”的要求;另外,近年来,许多柔性、可穿戴、可拉伸等新型电子器件被相继成功制备出来,为了满足和匹配这些新型电子器件,使最终自供电的电子产品整体具有柔性、可穿戴及可拉伸等性能,开发高性能柔性、可穿戴及可拉伸等新型储能器件势在必行。针对新型储能器件材料和器件设计面临的关键问题,我们以碳纳米管和石墨烯作为碳纳米基元,通过纳米复合和化学自组装等策略来构建力学、电学和电化学性能兼备的碳纳米材料及其复合物宏观体,并实现其性能调控。进一步基于这些宏观体,设计与之相匹配的器件结构,实现储能器件的超轻质、全固态和一体化设计,满足储能器件在不同环境和不同弯曲状态下稳定工作的要求。

 

Upbringing and early interest in science

MVC: 当您还在上学的时候,您想未来从事什么职业?是什么把您吸引到科学领域的呢?如果重新选择,您还会继续做学术研究吗?

NZQ:从小一直对物理和化学比较感兴趣,在上大学以前,一直想做一名中学物理教师,大学期间,随着知识的积累、眼界的开阔和对未知世界探索的兴趣让我最后做出了读研究生的决定,读研期间,一直从事碳纳米材料的制备及其相关应用研究,碳原子通过不同的构建可以得到性质完全不同的材料,这是一个神奇而充满未知的领域,好奇心使我步履不停,慢慢地喜欢上了学术研究,最终选择了做学术研究。如果重新选择,我还会选择科做学术研究。

 

Main fields of interest

MVC: 是什么促使您选择电化学储能器件作为您的研究课题?您的研究组对于这些研究领域未来的发展有哪些侧重的方向?

NZQ:不同能量形式之间的相互转换, 一直是科学与技术研究的重要内容。电化学储能器件是化学能与电能之间的转换器件。电化学储能器件是电子产品重要的核心器件,随着现代社会电子设备需求的多样化,可穿戴移动式电源设备已经成为衔接应用升级和技术革新的关键节点之一。与传统储能器件相比,柔性储能器件对材料性能和器件构型提出了新的要求,柔性储能器件不仅需要各器件组成单元在承受外力作用下保持原有的性能,还需要器件整体能够具有对外场的柔性响应。因此,柔性电化学储能器件是电化学、材料化学、材料力学等学科交叉的研究方向,既具有挑战性,又具有广阔的应用前景。

柔性储能器件的性能主要取决于电极的设计和器件的构型。电极方面:基于传统碳材料电极的电学和力学性能较差,很难满足柔性可穿戴的要求。目前,不同自支撑的柔性电极材料已经被成功制备出来,但是它们的纳米复合和自组装过程可控性较差,还没有完全实现碳纳米材料与纳米活性电极材料的有效协同,未来我们将进一步发展新的组装方法,实现碳纳米材料结构单元的可控纳米复合和程序化组装,使碳纳米材料结构单元和其他电极材料纳米结构的优异性能在自支撑碳纳米材料及其复合物薄膜中得到有效发挥。器件方面:未来我们将主要侧重高能量密度柔性金属离子电池,通过优化器件结构,实现柔性电池器件高稳定、超轻质、全固态和一体化的设计,并实现柔性电池器件结构的多样化。

 

Major scientific achievements in your career

MVC: 对于您发表的著作,哪些是令您最骄傲的?您最喜欢的是您哪部分的研究工作?

NZQ:目前我们柔性储能器件的工作主要集中在超级电容器、锌离子电池和锂硫电池三个方面,相对于锌离子电池和锂硫电池,我们在超级电容器的材料设计和器件组装方面做的更成熟一些,目前我们基于石墨烯复合物薄膜的柔性超级电容器在弯折180°时,质量比容量可保持在95%以上,并进一步实现了可弯折和可拉伸超级电容器与光检测器件的集成,超级电容器与光检测集成器件的弯折和拉伸能力可分别达180°和200%。

未来我们将通过进一步提高形变下电极的性能稳定性和优化储能器件的器件结构,实现高能量密度锂离子电池高稳定、超轻质、全固态和一体化设计,并实现其与其他柔性可穿戴电子设备的集成,满足人们日常生活对柔性自供电电子系统的需求。

 

Work life balance

MVC: 什么时刻您最享受工作中的乐趣?在科研经历中是否有些趣事可以分享?

NZQ:从事科研工作的过程中肯定会遇到各种困难,但是当你有了目标,就会努力去克服这些困难。当通过努力把问题解决,实现自己目标的时候是最快乐,最高兴的。有些问题的解决思路可能就在日常生活中找到答案,石墨烯在组装的过程中容易发生团聚,如何有效避免石墨烯的团聚是石墨烯电极组装面临的一个关键问题,我出生在山东,比较喜欢吃馒头,偶尔自己做馒头,有次做馒头的时候发现,馒头的制作过程其实是一个将致密结构转化为多孔结构的过程,受此启发,我们设计了化学“发酵”的方法,将致密的氧化石墨烯薄膜转化成了自支撑的多孔膜还原氧化石墨烯薄膜,生活中的很多现象会给我们的科研工作带来启发。

MVC: 科学工作之余,您最大的爱好是什么?

NZQ:科学工作之余,最大的爱好是下厨做饭,做饭的过程很像材料的制备过程,比如,同样一块豆腐,通过不同的烹饪过程可以做出几十种不同的菜品。类似的,石墨烯通过不同的组装过程也可以得出结构不同的材料,从做饭中也可以学到很多东西。

 

Advices to youth

MVC:您认为科研人员最重要的品质是什么?

NZQ:我认为科研人员最重要的品质是泛观博取,且熟读而精思,随着科技的发展,现在大部分的科研工作都是不同学科的交叉融合。在学好自己专业知识的前提下,尽量去学习一些其他专业的知识,扩展自己的知识面,将其他专业的知识应用到自己的研究方向,做出自己的特色,找到属于自己的研究方向。

MVC:您认为什么是科学家们崇高的志向?您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议?

NZQ:我觉得将自己的科研成果应用到人们的日常生活,提高人们的生活质量是科研工作者的初心和目标。兴趣是从事科学研究最大的动力,研究生阶段要努力培养自己的科研兴趣,树立自己的科研目标,为自己的目标努力拼搏。其实,每个领域都有取得成就的人,关键是能否付出努力去学习、实践,是否愿意花费更多时间和精力去提升自我,只要踏实努力,一定会学有所成!

MVC:您能否用简单的几个词形容下拥有快乐的实验室生活的关键 (Key to Happy Lab Life)?

NZQ:Interest, Self-discipline, Devotion

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