WILEY人物访谈——中科院过程工程研究所王丹研究员

王丹 中国科学院过程工程研究所研究员、博士生导师,中科院“百人计划”入选者,国家杰出青年科学基金获得者,享受国务院特殊津贴专家,中组部“万人计划”科技创新领军人才入选者,科技部中青年科技创新领军人才入选者。英国皇家化学会会士,国际溶剂热水热协会执行委员;Materials Chemistry Frontiers副主编;EES、Adv. Sci., Adv. Mater. Interface、Matter、ChemNanoMat等期刊顾问委员,Sci. China Mater.Sci. Bull.等期刊编委。迄今已发表学术论文150余篇,包括Chem. Soc. Rev., Nat. Chem.,Nat. Energy, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem, Nano Lett., Energy Environ. Sci.,ACS Nano, Adv. Energy Mater.等知名期刊。申请中国发明专利45项,已获授权23项。2005年获日本陶瓷协会21世纪纪念国际交流个人冠名奖:仓田元治奖;2006年获北京市科学技术奖三等奖;2013年获日本陶瓷协会的日中陶瓷科学技术交流奖励奖;2014年获赢创颗粒学创新奖-优秀科学家奖;2015年北京市科学技术奖二等奖; 2018年获中国颗粒学会自然科学一等奖;2018年度科睿唯安化学领域“高被引科学家”。

MVC:能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作?

WD:我们课题组主要从事多功能结构体系的合成化学研究,主要包括1、中空多壳层结构(Hollow Multishelled Structure, HoMS)的可控合成:2、石墨炔的复合与掺杂调控;3、多组分高效电极体系的应用。

1.我们发展了一种HoMS的普适、可控合成方法——“次序模板法”,通过调控富含前驱体模板的去除过程,使其多次发挥模板作用形成HoMS;从模板自身的特点、前驱体在模板上的吸附扩散、模板去除过程的反应动力学等层面入手,掌握了HoMS组成与结构精确调控的关键技术,实现了对HoMS的结构、组成、晶相等主要参数的精确控制;

2.利用石墨炔的结构特点及其优异的电子传输与电荷调控能力,首次实现了碳材料定点定量掺杂及电荷分布与电子的捕获与传递的调控,为制备分子级别可控的碳材料奠定了基础。

3.将制备的材料应用于锂离子电池、超级电容器、燃料电池、太阳能电池、光电催化、气敏、光电测试等电极材料上,结果表明设计合成的无机固体材料通过表面与传输的调控,实现了材料性能增强。

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?

WD:从小喜欢读西游记,喜欢科幻小说和童话小说,想成为一名作家,可以自由畅想。读研,出国读博士,就一路走了下来,发现做一名科学工作者不但可以自由畅想,还可以实现幻想!进入吉林大学化学系读本科为我开启了进入科学领域的大门,特别是研究生阶段,师从冯守华教授,切身感受到了吉大化学系老师和师兄师姐们对科学的执着追求,让我充分领略到了不断攀登高峰、追求真理与天马行空实现想象的吸引力,从那一刻起我便立志把科研作为毕生追求的事业。

MVC:如果您没有走科研这条路,您现在会干什么?如果重新选择,您还会继续做学术研究吗?

WD:如果我没有从事科研工作,我可能会是科幻小说作家。如果重新选择,我应该还会继续从事学术研究,因为科学研究可以做你所想,也可以为你所用。

MVC: 是什么促使您选择“中空多壳层结构”为您的研究课题?

WD:中空多壳层结构具有由外至内次序排列的多个壳层,将材料物理隔离为多个相对独立的空间,每个空间可被赋予各自独立的特性,从构成壳层的纳米颗粒到壳层数、壳层间距、壳层厚度、孔隙率等壳层结构,以及内外壳层的不同组成与表面修饰,均可以根据应用需求设计调控,进而能够实现材料的多功能与多用途,是一种非常有潜力的新型功能材料。而且HoMS具有像“鬼工球”一样的美丽迷人的结构,感觉是一种科学与艺术的结合的结晶。

MVC:您如何看待纳米材料在储能领域中的应用?

WD:纳米材料由于具有大量暴露在表面的原子和较大的比表面积,已被证明具有较高的反应活性与转化效率,并且可以利用尺寸效应来调节光吸收等,使其在储能领域应用潜力巨大。近年来,纳米材料在储能领域中的应用研究取得了显著进展,但面向不同的储能需求,实现材料结构、表界面、取向、排布等的科学设计与性能的综合调控,仍面临着巨大挑战。如何利用更先进的方法实现纳米材料的理性设计与可控制备,获得具有更多预期功能的纳米材料是未来需要努力的一个重要方向。此外,也需要更多地去探究纳米材料应用于能源领域的储能机理与相应的调控机制,利用先进的表征手段实现材料在能源器件应用过程中的原位在线表征,为新能源材料的研发提供理论与技术支撑。

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?

WD:我们组比较骄傲的代表性工作包括:(1)首次提出并发展了“次序模板法”这一普遍适用于HoMS材料可控合成方法,并深入解析了该方法合成HoMS的形成机制,实现了合成方法学的突破,将该领域带入到理性设计的先进水平,现已被国际同行普遍采用(DOI: 10.1002/anie.201004900);(2)通过周环反应成功在薄层石墨炔的炔键上引入了新型的sp杂化氮原子,首次位点选择性在石墨炔中引入了杂原子,实现了氮的定点、定量掺杂,为制备分子级别可控的碳材料掺杂奠定了基础(DOI: 10.1038/s41557-018-0100-1)

我最喜欢的研究工作包括:(1)突破了碳球带负电易于吸附金属阳离子的限制,提出了不同阴离子在碳球模板上的竞争吸附机制,通过模板预处理促进碳球对阴离子的深层吸附,成功合成了一系列高价态金属氧化物HoMS,极大丰富了HoMS材料的多样性(DOI: 10.1038/NENERGY.2016.50);(2)以ZIF-67大单晶为模板,通过“基因遗传”模板的空间拓扑结构,合成了具有优势晶面取向的Co3O4十二面体,推动HoMS材料的可控合成迈上了新台阶(DOI: 10.1021/jacs.8b13528)。

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和我们分享?

WD:科研工作可以允许我们充分发挥无尽的想象力,并且能够把这些想法变成现实,这是最让我乐在其中的事情。

MVC:科研工作之余,您有什么爱好?

WD:以前是下围棋,使自己更沉稳,可以多步思维;现在是看科幻电影,放松自己,提高想象。

MVC: 您最喜欢的书是什么?

WD:《上帝掷骰子吗?——量子力学史话》这本书以故事的方式深入浅出的阐述了量子力学领域艰深的物理概念,在阅读的过程中常常不由自主的惊叹于那些伟大的科学家们无尽的想象力。无论你从事哪方面的科学研究,相信都会从中获得启发。

MVC:您认为科研人员最重要的品质是什么?您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议?

WD:我认为科研人员最重要的品质是好奇心和坚持,要有持之以恒的热情和敏锐的判断,善于发现有价值的研究方向并坚持自己的特色。对从事科学研究的学生而言,首先,要具备对科研工作的热情与兴趣,在遇到困难时,对探求真相的渴望是促使你坚持下去的动力;其次,要善于学习,实时跟踪相关领域的文献,多与老师和同学交流讨论,从中学到发现问题与解决问题的方法,站在前人的肩膀上寻找自己的创新点;要关注实验中的每个细节,深入思考实验现象背后的深层原因,不要因为偶尔的失败轻易否定,切忌浅尝辄止。

MVC: 您能否用简单的几个英文单词形容下拥有快乐的实验室生活的关键 (key to a happy lab life)

WD:To be curious about everything in the universe; to create exquisiteness out of emptiness. Curiosity, Optimism,Ardour,Persisting,Communication