【InfoMat专访系列之青年科学家】郑州大学张佳楠教授:女性青年科学家的科研之路

个人简介

张佳楠教授于2005年和2010年获得吉林大学学士学位和博士学位(导师:于吉红院士),2008-2009年在美国橡树岭国家实验室访问(合作导师:戴胜教授)。2010年7月入职郑州大学材料科学与工程学院,2019年在日本国立综合产业技术研究所(AIST)访问学习,同年入选教育部“长江学者青年奖励计划”。目前主要从事燃料电池、金属空气电池及制氢等能源转换装置中的电催化剂的设计、构筑和应用研究。迄今为止,以第一作者/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Nano Energy等期刊发表论文50余篇;主持国家自然科学基金4项;2020年获河南省科技成果奖一等奖(排名第1);并担任高等学校化学学报(Chem. J. Chinese. U.)、中国化学快报(Chin. Chem. Lett.)、InfoMat等期刊的青年编委/客座编辑。

课题组网页:

http://www.polymer.cn/ss/jiananzhang/index.html

http://www5.zzu.edu.cn/clgc/info/1207/4797.htm

研究工作

您能否简要介绍课题组的工作?

我们课题组主要从事能源转化和存储材料的应用基础研究工作。近五年来,研究工作主要面向氢燃料电池、金属空气电池和制氢技术发展过程中的关键科学技术问题,聚焦多尺度碳复合材料设计及限域效应研究,着重发展新型高效的碳基非贵金属电催化剂,以期达到与Pt等贵金属催化剂相当的电催化性能。我们的研究还涉及众多交叉学科,如无机材料化学、材料物理和计算化学等。通过采用先进表征手段,在分子和原子尺度上对催化材料的结构演变过程和催化机制进行深入解析,同时我们也注重研究成果的实用化,积极进行科研成果向实用化转化。

当您还在上学的时候,未来想从事什么职业?是什么机缘促使您从事现在的能源催化领域的研究呢? 

我在上学时, 就非常希望成为一名教师,因为我的母亲就是一名教师。好的教师不仅需要有扎实的专业基础,同时要具备心灵沟通能力,并能“授人以渔”,会让别人受益一生。很幸运的是,我在吉林大学读博士期间成为于吉红教授的学生。于老师对我的影响非常大,她并不是单纯的灌输知识,而是真正教我做人做事的态度,比如“做好自己”、“把小事做好”等,这让我受用一生。我的博士课题是当时组里的一个新方向——分子筛的功能化和催化应用。我很长一段时间找不到思路,偶然机会尝试了一个新想法,即在分子筛材料的孔道中利用layer-by-layer方法引入一层酸中心,使催化反应的转化率大大提高,发现孔道的存在不仅增加活性中心数量,而且提高了催化选择性,研究结果令我倍受鼓舞。从这以后,我才算是真正走上了科研道路,现在看来,那就是限域催化。能源催化是我到郑州大学后因机缘巧合而开展的研究工作,当时所进入的团队主要研究方向是碳纳米管修饰,受包信和院士团队在限域催化方面的研究报道的启发,我打算结合“限域催化” 和 “碳材料”展开研究工作。通过近十年的工作积累,团队构筑了一系列几何空间限域的碳基催化剂及化学修饰表面限域的原子级催化剂,并将其应用于不同的电催化场景(氧还原反应、氢析出反应、氧析出反应等);同时,结合材料物理和计算化学,深入解析其构-效关系,在这些研究过程中,所取得的一系列重要研究成果,极大地坚定了我做科研的决心。 

今年您的团队在Nature Communications上发表了一篇关于催化调控铁自旋态的研究性文章,极具创新性和应用性。请问您的灵感来源是什么呢?

发展非贵金属催化剂是降低燃料电池成本的主要途径。高性能的非贵金属催化剂通常含有金属铁、钴、锰、镍等过渡金属,其显著特点是具有磁性,因此,如何将磁性和催化活性联系在一起一直是很多科研工作者努力的方向。通过与合作者交流我们发现,电子自旋态作为磁性方面最重要的一个描述符,它的变化可以直接从磁学数据上反映出来,并且电子自旋态与催化活性是密切相关的。很幸运,课题组学生思维活跃,通过大胆假想,小心求证,发现铁和锰单原子之间的相互影响可以带来铁活性中心自旋态的变化,从而导致电子结构的变化,进一步影响活性中心与反应物之间的相互作用。目前这项研究尚处于初级阶段,还需要后续努力把机理阐述得更加清楚。

与InfoMat结缘:青年编委,客座编辑

您现在是InfoMat专刊“Carbons for Energy Storage and Conversion”的客座编辑,可否请您谈谈这个专刊的初衷呢,您认为碳材料将在信息材料领域扮演什么角色呢? 

作为一个碳材料研究领域的后辈,还有许多方面需要学习,因此我只能浅谈一下个人想法。碳材料具有一个完整的发展历程,从石墨-富勒烯-碳纳米管到石墨烯,其性质都与碳体系优异的导电性和“灵动”的电子结构息息相关。碳材料在能源存储和转化的优势体现在以下三方面:一、将活性物质插嵌在碳层中,从而带来更高的能源存储性能;二、利用转化过程中碳本身电子结构可调控的特性,带来高效的能源转化;三、碳材料还可以和各类的活性物质形成掺杂、包覆、限域等多种复合形式,同时可兼具高分散性、三维结构、可调孔道及表面修饰等特性,这些使碳材料在能源存储和转化方面扮演着重要角色。所以,碳材料不仅仅能有效地提高导电性,而且还能通过与活性物质进行电子传递,提高材料的存储和转化效率;同时,通过限域等复合形式还可提升能源存储与转化的稳定性和耐久性。可见,碳材料在能源存储与转化应用方面的优势是显而易见的。当前,专家和学者们的精彩工作层出不穷,我们希望更多的学者通过本专刊“平台”展示自己的工作,吸引越来越多的人来关注这一领域。

作为InfoMat的青年编委,能否请您简单谈谈对期刊的期许?您认为我们还可以从哪些方面努力提高期刊的水平和影响力?

InfoMat是一个质量非常高的期刊。国家现在对新能源技术的大力支持,使得InfoMat和新能源的联系将更加紧密。同时,它还可以和其他领域比如柔性材料、机械领域、AI等建立一些合作专栏,以InfoMat为中心,辐射出更多的可交叉的领域。我想这样可以使InfoMat更具有代表性,更能体现期刊特色。作为InfoMat的青年编委,我想我有责任让更多的科研工作者了解InfoMat,我相信InfoMat一定会越办越好。

女性科学家的发展与机遇:铸就梦想,坚定前行

您认为女性科技工作者在从事科研工作中需要克服哪些困难呢?

我想女性和男性科研工作者从工作能力上看没有区别。我们课题组的女硕士和女博士,她们都做得非常好。工作以后,男性和女性在不同层面都会遇到困难。女性科研工作者主要困难是平衡工作与个人情感生活或家庭的关系。科研和生活可以完全平衡好不容易,需要取舍,每天能够真正地投入到工作中的时间有限。此外,需要和男朋友或家人进行有效的沟通,得到家人的理解,及时同他们分享工作中的点滴,不管是困难还是收获,获得理解是非常有必要的。

您认为女性在从事科研工作方面有哪些优势呢?现在有很多踏上科研征途的女学生和刚刚毕业的女博士,作为老师和前辈,您有什么建议呢? 

我觉得女性的最大优势就是做事细腻、思维缜密、有耐心,能够把最小的事情做好。一旦投入进去,应该会取得不小的成绩。对于青年女学者,我认为就像我的博士导师于吉红教授谆谆教导的那样,从点滴小事做起,不断积累和总结,做好计划,坚持并做好自己认为有价值的事情,这点非常重要。此外,需要分配好自己的工作时间和个人生活时间,留一部分时间给自己放松,切换头脑,保持旺盛的精力投入到科研工作中。

郑州大学在2017年入选国家“双一流”建设高校名单,近几年发展非常迅速。作为学校科研发展的中坚力量,您认为这个机遇对您自身事业的发展有哪些帮助吗?您认为应该如何将学校发展与自身发展相结合呢?

作为国家“双一流”建设高校,郑州大学及时制定了激励政策,尤其是校内的人才评定政策。比如,郑州大学青年拔尖人才等政策,可以给优秀青年教师年薪30万的待遇和一定的科研经费支持,这些新政策的推出强烈地激发了青年学子的科研热情。目前郑州大学正在向科研教学型大学转型,科研软实力将逐渐得到增强,我也希望能把握住这个难得的发展机遇,争取获得更大的成绩。

人才培养与引进:传道授业,薪尽火传

请问您如何培养团队学生“创新”的能力?

做学生的良师益友,不断启发他们,培养他们积极和权威专家交流的意识;鼓励他们自主思考,钻研文献,自己步子自己迈,而不是依靠老师一点一滴的指导。此外,他们的活力和奇思妙想同时也会启发我产生灵感,鼓舞我勇往直前,同他们一起解决困难。

您有什么建议要送给已经踏上科研征途的博士研究生们吗? 

没有谁的博士生阶段是一帆风顺的。实验的成功与失败没有好坏之分,抓住细节,不断求索,相信自己,说不定会从实验中找到灵感。另外,我非常喜欢的一句话:“求其上者得其中,求其中者得其下”。不要轻易放弃自己的梦想,降低自己的标准,从点滴做起,遵从自己内心,专注于自己工作的质量,做有意义的工作。在科研之余,也要为自己寻找乐趣。我喜欢和家人一起看电影或旅游,因为这不仅能使我放松,而且可以帮我拓宽视角,积极、乐观地看待生活。