Wiley人物专访—中科院大连化物所吴忠帅研究员

吴老师重点介绍了二维能源材料制备、微型储能器件的设计和构筑,同时也谈及了微型储能器件的优势、面临的挑战以及未来展望。作为一名科研专家,吴老师也积极提倡科研推动产业化,认为基础性科学问题的研究和产业化技术瓶颈的突破同等重要,这样才能在核心关键技术上不至于被“卡脖子”。在如何平衡工作和生活方面,吴老师建议大家不要混淆“努力工作”与“用所有时间工作”,要有张有弛,保持身心健康。最后,作为导师,亦作为朋友,吴老师对学生有着很深的期待,最重要的是希望学生可以保持对科学的好奇心和求知欲。

人物简介:

吴忠帅,中国科学院大连化学物理研究所首席研究员,二维材料与能源器件研究组组长,博士生导师。入选中组部引进“海外高层次人才”特聘专家、英国皇家化学会会士、2018年和2019年科睿唯安全球高被引科学家、Energy Storage Materials青年科学家(2019)、中国科学院引进“海外杰出人才”-终期评估优秀(2019),获国家自然科学奖二等奖(2017)、辽宁省自然科学奖一等奖(2015)等奖项或荣誉;担任Applied Surface Science编辑,Journal of Energy Chemistry执行编委,Advanced Materials客座编辑,Energy Storage Materials编委和客座编辑,Journal of Physics: EnergyMaterials Research Express、Physics国际编委,Chinese Chemical Letters青年编委以Engineering青年通讯专家。担任第一届全国创新争先奖、国家科学技术奖励、国家重点计划项目等评审专家。担任辽宁省能源电池重点实验室名誉主任、全国纳米技术标准化技术委员会委员等。

主要致力于二维材料与高效电化学能源创新系统的应用基础研究,在高质量石墨烯宏量制备与应用、二维材料设计合成与性能调控、高效微型电化学储能器件与集成微系统、双高超级电容器构筑以及固态锂电池和新型电池等研究方向取得了系列研究成果,在国内外相关领域产生了重要影响。已在Energy Environ. Sci.(3篇)、Adv. Mater.(12篇)、J. Am. Chem. Soc.(8篇)、Angew. Chem. Int. Ed(3篇)、Nat. Commun.(2篇)Adv. Energy Mater.(4篇)、ACS Nano(14篇)、Adv. Funct. Mater.(7篇)、Nano Energy(5篇)等国际权威杂志发表论文130余篇,其中IF>10的文章72篇,已被SCI他引20000余次,ESI高被引论文(Highly cited)26篇,H因子为50。相关论文获2015年Natl. Sci. Rev.杂志Best Paper奖、2016年“中国十大高被引科技论文”(2006-2016)、2018年Sci. Bull.杂志Best Paper奖、2018 J. Mater. Chem. A Emerging Investigators奖。承担科技部、基金委、中科院、辽宁省、大连市等项目(课题)20余项。担任Pacifichem2020、美国化学年会、世界粉末大会、中国能源材料化学研讨会等会议共同或分会主席。受邀在国际电化学能源科学与技术会、国际储能材料会、国际石墨烯会、国际碳材料年会等做邀请报告50余次。担任Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Prog Energy Combust Sci.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Energy Mater.等60国际期刊的审稿人。

MVC: 能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作?

WZS: 根据中科院大连化物所未来10年创建世界一流研究所的科技发展战略和催化基础重点国家实验室、大连洁净能源国家实验室(筹)建设的学科布局规划,我们研究组主要聚焦于先进二维能源材料与高效电化学能源创新体系的基础性与前瞻性研究,主要包括(1)二维材料的制备、性质及应用基础性研究:发展高质量石墨烯及开发新型二维材料的可控制备与精确调控方法,制备石墨烯、氧化物、聚合物、异质结等二维材料,研究其独特的光、电、热学特性,探索其在微型储能器件、传感器、探测器等不同领域的应用;(2)柔性化、微型化、高效电化学储能器件与功能集成系统:瞄准特定的应用场景,发展特定的能量型、功率型或柔性化、微型化、高效电化学微纳储能器件,并创新器件的组装策略和关键技术,提高储能器件的续航能力和功能特性,构建能量获取-存储-消耗器件高度集成化、智能化独立微能源集成系统;(3)工况状态下(微型)电化学能源器件储能、催化机理的原位研究:利用催化基础国家重点实验室、大连洁净能源国家实验室(筹)、及合作单位上海同步辐射光源、中科院苏州纳米所纳米真空互联实验站(Nano-X)的平台优势,开展从材料制备、微纳器件制造,到原位表征以及电化学相关的表界面化学、高动态过程的基础性研究。

MVC: 您在短短的几年时间内完成如此多的科研成果,能否介绍下目前课题组以石墨烯材料等为代表的工作?

WZS: 石墨烯是我国“十三五”重点发展的新材料之一,被列为先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料,在新能源、国家安全、航空航天、信息技术等领域具有重要应用前景。十多年里,我们研究团队一直坚持从事高质量石墨烯材料的可控制备、连续化吨级生产与储能应用基础研究(图1):(1)发展了氧化剥离、电化学剥离、高温热解SiC、自下而上环化等多种方法制备出不同种类的石墨烯材料,包括氧化石墨烯、还原石墨烯、单层/少层石墨烯、站立石墨烯阵列等,实现了高质量石墨烯的宏量、低成本制备,完成了石墨烯连续制备实验平台的搭建;(2)发展了湿法纺丝、生物模板基CVD生长、室温下快速还原、自蔓延燃烧等方法,构建出不同维数石墨烯宏观体材料,包括石墨烯纤维、薄膜和三维网络材料,率先构建锚固结构氧化物/石墨烯复合电极材料,揭示氧化物和石墨烯的强协同效应,研制出多种高性能电化学储能器件,包括微型储能器件、超级电容器、锂电池(锂硫、金属锂负极)和新型电池(钠/钾/铝/锌离子)中应用,极大推动了石墨烯的制备与储能应用研究。目前作为科研骨干,参加了国家重点研发计划-纳米专项“石墨烯宏观体材料的宏量可控制备及其在光电等方面的应用研究”和新能源汽车专项“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目。基于石墨烯部分的研究成果,获得了国家自然科学奖二等奖(第四完成人,2017年;高质量石墨烯材料的制备与应用基础研究)和辽宁省自然科学一等奖(第四完成人,2015年;石墨烯材料的控制制备与应用探索)。

图1. 高质量石墨烯材料的制备、连续化吨级生产设备及获奖证书

另一方面,随着智能电子和物联网时代的到来,可穿戴微设备、微电子、自供电微系统等将进入快速发展阶段,亟待发展与其高度匹配的小尺度、低功耗的微型电化学储能器件。平面化微型储能器件是由位于同一基底上的微电极构成、通过物理间隔阻断正负极接触的微型电化学储能器件,具有体积小、轻质超薄、机械柔性佳、高度集成化、形状多样化等优点,对厚度、柔性、小型化(芯片储能)、集成性、共面形状设计等方面要求较高的智能电子的应用具有不可替代的地位和重要的战略意义。我们团队针对平面微型电化学能源材料理性设计与器件构筑开展了深入系统研究,取得了一系列创新的成果(图2):(1)提出了化学掺杂、超分子分级自组装、有序介孔精准调控策略,获得高赝容量二维材料为主的多种高性能电极材料;(2)发展出与高性能电极材料相匹配的图案化微电极的高精度、规模化、一体化制备方法,构筑出高效电子-离子输运通道的微电极;研制出与微电极匹配的宽电压窗口凝胶电解质;(3)发展微电极-电解质协同耦合与界面调控策略,研制出高电化学性能、高机械性能、多功能化的平面化微型储能器件。发展了高效可靠的器件自集成方法,开发出电压/功率高度可调的微型储能器件模块,以及功能化集成微系统。获得超过100 V的输出工作电压微型储能模块,达到了国际领先水平。

图2. 高性能多功能平面微型储能器件的设计与构筑

MVC: 最初是什么把您吸引到科学领域的呢?是否可以给大家分享一下您科研生涯中的趣事。

WZS: 最初吸引我到科学领域的是对科学家的敬仰和对未知世界的好奇。小时候在作文中经常写到“我的理想是当一名科学家”,那将是多么的伟大,那个时候只是一种朦胧又感觉很遥远的目标。随后在课本上逐渐了解到门捷列夫、拉瓦锡、居里夫人、爱迪生、侯德榜、钱学森、邓稼先等科学家,尽其一生于科研事业,用其一项项的科研成果造福人类社会,这份对科研的执着和热爱深深地打动了我,也更加坚定了我的科研梦。记得中学化学课上,看着老师演示着神奇的化学实验,很好奇也很心动,非常想自己也能动手体验一番,并探究其中的原理与奥妙,渐渐地发现自己越来越喜欢精彩的化学实验世界,并在填报大学志愿时毫不犹豫的选择了化学专业。

在这个领域的成长和探索过程中,我是幸运的。我遇到了我的硕士导师张向东教授、博士导师成会明院士和任文才研究员、博士后合作导师Klaus Müllen教授和冯新亮教授,以及我们研究组学术指导包信和院士,在他们周围,耳濡目染,我学会了积极进取的心态,不断探索的创新精神,是他们给予了我前进的动力、探索未知的勇气;在他们身上,我学到了认真、严谨、坚持和追求极致的工作态度,坐得住“冷板凳”。

MVC: 请您介绍一下微型储能器件的优势、目前面临的挑战和您对微型储能器件未来发展的展望。

WZS: 微型储能器件的优势:与传统的储能器件相比,微型储能器件具有轻质超薄、体积小、机械柔性好、形状和功能多样化等特点,有望满足快速发展的微型化、柔性化电子器件对与之匹配的新型功率源的要求,在微型机电系统、微型机器人、植入式医疗器件、射频识别标签、远程环境传感器、便携式和可穿戴电子产品,以及无线自供电微/纳米系统等方面具有广泛应用前景。

微型储能器件的挑战:目前,研究人员已经在微型化储能器件方面做了大量的研究工作,但是如何在有限的空间内,快速稳定的获得兼具高性能与多功能性的集成化微型储能系统仍然面临着诸多科学与技术瓶颈,如微电极限域空间的表界面化学反应与过程以及“小尺度”下差异化存储机理、高效的功能化电极材料结构调控、高精度的微电极与微器件制造、稳定高效的功能化模块微系统的构筑与集成等等。

未来发展的展望:随着智能电子和物联网时代的到来,亟需发展与其相匹配的满足不同应用场景的高性能微型电化学存储器件,如微型超级电容器、微型电池及其自供电微集成系统。相信微型储能器件的发展可以促进未来人、机、物的深度融合,极大改善我们的生活状态。而去实现储能微型化是一件非常有意思、也非常有战略意义的事情。

MVC: 您认为做研究的最终目标是产业化吗,您认为目前国内技术转化主要面临哪些问题?

WZS: 这个问题非常好。比如,我们大连化物所是一个基础与应用并重的综合性研究所,非常重视基础研究成果转化成生产力、创造出经济价值,期望在科学前沿、国民经济和国家安全中发挥不可替代的作用。或者说,基础性科学问题的研究和产业化技术瓶颈的突破同等重要。对于我们课题组来说,基础性与前瞻性研究需要解决二维材料与能源器件中的基础科学问题,包括高性能二维能源材料与化学、表面与纳米电化学、微型化储能器件理性构建、揭示材料与器件之间的作用机理和构效关系等。而突破当下产业化技术瓶颈,需要思考如何真正的将石墨烯材料制备与应用以及高效安全的电化学储能器件实现产业化生产,期望获得能满足未来社会和国家需要的先进材料与能源器件,这也是我们一切工作的出发点和落脚点。

目前,国内在技术转移与转化工作方面还处于发展阶段。用科技助强国,以国家、社会和市场需求为导向,我们仍需不断加强技术创新,尤其是一些“卡脖子”技术的攻坚克难;同时,需要紧密结合市场实际情况和人们的根本需求,实现关键科学问题和产业发展技术的重大突破,获得我国自主创新的高精尖技术,并最终实现高端技术产品自主制造!另外,在全球化的今天,在做好技术创新的同时,我们也需要进一步加强国际化合作以及知识产权共享和保护意识!

MVC: 您课题组在科研工作之余会组织什么样有趣的集体活动?

WZS: 我们研究组是一支非常年轻的蓬勃发展的团队,团队成员平均年龄在28岁左右,他们都很阳光,充满朝气和活力(图3)。工作之余,同学们也热爱各类体育运动,比如篮球、足球、羽毛球、绘画等等。在气候舒适的春夏季,我们也会组织同学们进行户外活动,如徒步美丽的星海湾大桥、樱桃园采摘、海边Barbecue等。调整好生活和工作节奏,轻松愉悦的应对科研工作中的难题。大连是一座美丽而宜居的海滨城市,大连化物所依山傍海、风景优美,这里一直是充满梦想的年轻人和莘莘学子的能量充电站。非常欢迎化学、材料以及电化学相关背景的有志青年加入我们团队,一起努力奋斗和成长。

图3 我们研究组2019年全家福

MVC: 您认为导师和学生之间什么样的相处模式是最好的?能否讲述一下您和学生在交流沟通过程中遇到的问题和趣事。

WZS: 尊重与信任是一切关系的前提,有效交流沟通是解决问题的重要法宝。学生们和我既是师生,又是朋友。在科研方面,我会根据学生们的基础水平给他们定好科研方向,学生在项目探索和研究方案制定方面具有充分的自由度,实践中遇到问题时我会给予及时关注、指导和帮助。在生活方面,我会经常和同学们一起聊天、交流思想,了解并关心大家的生活,对大家学习、工作以及早期职业规划上遇到的困难、烦心事耐心倾听,并提出一些建议。我们时刻敞开心扉,相互沟通和学习,相互激励和启发,碰撞出科学的火花。

MVC: 您认为研究生应当具备哪些素质?您最喜欢什么类型的学生?

WZS: 我认为研究生应当时刻保持对科学的好奇心和求知欲。好奇心能够打开一个人思想的大门,迸发出创造性的想法,而强烈的求知欲是一个人保持初心和不断前进的动力。许多重大发现的探索过程都可能是一个枯燥、劳累的过程。在前进的道路上,每个人都要保持积极乐观的心态,有坚定的意志力,能够耐得住“寂寞”,不怕失败。相信终会“柳暗花明又一村”。

我喜欢我的学生经常来和我分享他们自己的一些想法,有的时候对我也很有启发。大家能够在一起学习讨论,效果总是积极地,1+1>2的。建议学生每人每天阅读一篇高质量文献,在组会上可以与大家分享1~2篇重要文献,能讲出自己独到的见解和启发更好些。另外,喜欢认真、勤奋努力的学生,1%的灵感也需要有99%的汗水的积淀才能有精彩的科研成果。

MVC: 您培养的毕业生成果产出这么多,非常的优秀,对于目前组内的学生,或者正求学的博士生们,您有什么好的建议让他们化压力为动力?

WZS: 我经常跟组内的学员们讲,博士生或博士后阶段是一个人的未来事业发展规划一个非常重要的基础阶段,可能具有决定性的影响,努力才是人生的态度。越勤奋,越自律;越自律,越优秀。同时,提醒学生们不要混淆“努力工作”与“用所有时间工作”。在研究工作中,做事情要有规划,要及时归纳总结,偏离方向后要及时纠错;要有张有弛,保持身心健康,建立良好的人际关系。适当的休息会让你们有机会与同事交流,碰撞出更多更好的科研火花,从而工作更有效率和激情。这样每天保持良好的心情,有问题通过交流得到解决,工作过程变成一种享受,就会化压力为动力。将来的你会感谢现在奋斗的你。

MVC: 目前受疫情影响,部分研究生依然无法返校进行正常的学习和科研工作,在这种特殊时期,您对研究生有什么建议,研究生该如何利用这段时间提升自己?

WZS: 随着现代社会的不断发展,生活和工作的节奏越来越快。平时忙碌的实验和工作安排,同学们很难有充足的时间来学习自我提升,我想这个特殊的时期对研究生来说是一个自我充电的大好时机。俗话说:“工欲善其事,必先利其器”。同学们可以充分利用这个时间进行扎实的专业基础知识温故和学习,也可以根据自己的实验和工作情况,拓展多学科交叉的学习。“One Coin Has Two Sides”,在某种程度上,这段自由时间可能对同学们具有另一种重要意义。只要研究生根据自身情况做好计划,每日打卡不断激励自己,逐渐养成习惯,静心充电,照样可以做到学术科研不停歇。

MVC: 工作之余您有什么兴趣爱好?是否可以分享一下您科研之外的另一面。

WZS: 在工作之余,或遇到困难而头疼时,我会选择放一放,通过运动舒缓一下,如打篮球、羽毛球等。又或者睡一觉,第二天精神便会恢复如常,我个人一直认为保持良好快乐的心态是做好科研的基础。一时思路不通,适当转移一下注意力,避免钻牛角尖,人在放松的状态下更容易产生灵感,回头再想很多问题迎刃而解。劳逸结合,不仅可以让人拥有健康的体魄,同时也能够使自己更加专注、工作更加高效。

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)

WZS: 我们团队的座右铭:创新Innovation、务实Working hard、自由Freedom、协作Cooperation、共赢Win-Win