WILEY 人物访谈——德国锡根大学杨年俊教授

能源枯竭与温室效应是人类面临的亟须解决的问题,开发新型清洁能源迫在眉睫,而氢能是最为清洁的能源,其能量循环过程完全无污染,被认为是人类终极能源;世界各国也争相开发氢能配套技术。于我国而言,“十四五规划”已对碳达峰、碳中和做出规划,清洁能源氢能的开发更是势在必行。氢能的产出是氢能经济的很关键的一环,在众多制氢工艺中,电解水制氢因制氢纯度高、环境友好而最具竞争力。本周的Wiley人物访谈,我们介绍一位优秀的青年科学家——杨年俊,杨教授长期从事于电解水领域,将为我们介绍电解水的发展现状、现如今存在的一些问题,并提出一些促进电解水技术发展的观点。希望能对电解水领域的研究者提供一定的帮助。

人物简介

杨年俊,博士,2005年于日本国立福井大学获得工学博士学位;2005—2008年先后在美国新墨西哥州立大学、日本国立产业技术综合研究所从事博士后研究;2008—2014年就职于德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所,任高级研究员,担任生物传感器课题组组长。自2014年起在德国锡根大学材料工程研究所工作,任纳米材料课题组组长。2020年获得材料科学及表面工程方向的教授资格。主要致力于功能材料合成及其电化学基础与应用研究。发表学术论文160余篇,独编系列丛书1部,参编专著4部,撰写书章节10次。担任InfoMatSmallCarbonNanoscale等杂志的客座主编,目前任Scientific ReportsDiamond and Related Materials等杂志的编委,Hasselt金刚石国际研讨会、金刚石及碳材料国际会议的委员会委员。曾在欧洲材料学会(E-MRS)年会组织召开国际会议10余次。

走进科学

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作呢?

杨年俊(以下称YNJ):目前我们课题组主要开展各种功能材料的制备,并探索其在电化学储能体系和电化学转化技术中的应用。其中,电化学储能体系主要注重基于导电金刚石的高性能超级电容器和基于不同种类碳纳米材料的超稳定长寿命电池的研究。比如,通过不同功能的电容电极与可溶性氧化还原电解质的组合,研发兼具高能量、高功率密度的超级电容器;通过阳极电极结构的设计,优化离子动力学行为,构建基于钠、钾离子的高性能电池储能体系。在电化学转化技术研究中,通过功能材料组分的选择和设计,合成具有不同功能的电催化剂,探索并实现其在高效二氧化碳还原、水电解、醇氧化等方面的应用。比如,通过催化剂的电子结构和形貌调控实现二氧化碳的选择性还原、水电解高效制氢及醇类物质的有效氧化。

MVC:氢能具有燃烧热值高、来源丰富、产物无污染的优点,是公认的终极能源,析氢电催化剂对于氢能制取具有十分重要的作用,您认为析氢催化剂的设计有哪些原则?

YNJ:为了使析氢催化剂能实现大规模合成,并最终用于工业化生产具有燃烧热值高、无污染的终极氢能源,我个人认为在催化剂的设计过程中需遵循以下几大原则:

1催化活性高。这是由于产氢催化剂活性受其组分、表面结构、尺寸及工作介质等因素的影响巨大。首先,析氢催化剂的本征活性受活性组分、吸附性能等影响;其次,催化剂尺寸结构及形貌调节与其活性面积及其活性位点的提升密切相关;再次,催化剂性能的发挥往往受工作环境和工作介质的影响。针对这些影响因素,对析氢催化剂进行设计、构建和优化因此十分重要。

2稳定性好。由于实际生产应用中,所施加的电流通常远大于实验室所使用的电流,且反应时间更长,这就要求析氢催化剂在大电流密度和长时间的工作条件下有高稳定性。

3价格低廉、来源广泛。虽然目前贵金属材料析氢催化剂在催化活性以及耐久方面的优势远超其他析氢催化剂,但其大规模生产应用仍受限于高昂的价格、有限的来源。为了氢能源能够被更广泛的使用,开发成本低、来源广的析氢催化剂将是未来氢能经济发展的基石。

4)环境友好。随着全世界对于能源转型及环境治理的要求逐步提高,致力于大规模应用的析氢催化剂必须满足环境友好的特点,以实现其可持续发展,并最终完全取代其他非绿色、非环境友好能源。

电解水何去何从

MVC:锂离子电池与电解水技术几乎是同时起步的两项储能技术,然而锂离子电池的商业化进程却远远领先电解水制氢,您认为哪些因素导致电解水技术商业化进程的滞缓发展?

YNJ:虽然这两个方向都经历了几十年的发展,但其工业化进程却大相径庭,我个人认为主要是由于以下原因造成的。首先,锂离子电池属于封闭系统,其配套设备相对简单、体积比容量较易得到提升、制备过程易控制,因此,锂离子电池在不同领域得到了广泛应用,从而使其快速商业化。而在电解水系统中,气体和液体的管理都需要采取必要的辅助措施,比如需要配套完善的液流系统和气体收集系统,因此,电解水系统的配套设备相对复杂且昂贵。其次,与锂离子电池相比,电解水技术的能量转换效率相对较低、安全性更弱、应用实例更少。再次,电解水系统的制造和维护成本远高于锂离子电池。由于上述这些尚未解决的难题,导致了电解水技术市场竞争力不强,阻碍了它的商业化进程。

MVC:为了促进电解水制氢技术商业化更为容易,您认为在实验室阶段的研究阶段应该将哪些因素纳入考虑之中?

YNJ:为了推动电解水制氢的商业化进程,我个人认为实验室阶段电解水制氢可考虑开展以下几个方面的工作:1)设计包含有气流收集系统的电解水装置。2)构建高效的电解水体系。比如,开发低成本、高性能的析氢催化剂;利用环境污染物或生物质衍生物的氧化反应取代析氧反应等。3)结合太阳能等绿色能源来降低电力成本,最终实现经济、环保的电解水制氢技术的突破。

MVC:传统的电解水体系在阴极产氢气,阳极产氧气;最近几年出现了很多阳极替代OER反应(析氢反应耦合生物质氧化/电化学合成高附加值化学品)进行电解制氢的新型电解体系,您可以谈一谈二者各自的优劣吗?

YNJ:虽然传统的电解水体系可以实现氢气和氧气的同时制备,然而,由于阳极析氧动力学过程复杂,过电势高且速度缓慢,导致电解制氢及能量转换效率较低。其次,氢氧的混合可能会导致爆炸,对电解装置的气体收集管理要求较高,因此其安全性有待改善。近年来出现利用一些其它阳极反应替代析氧反应,其过电势低、反应速度快、且能抑制析氧反应。而且,这些电解水体系除了具备制氢效率高的优势外,还极大地降低了由氢氧混合可能引起爆炸的潜在风险。值得一提的是,此策略还可将环境污染物、生物质衍生物等进行可控地、选择性地转化,合成得到新的高附加值化学品和可持续能源材料,从而有助于解决当前能源枯竭和环境污染等全球性热点问题。当然,环境污染物、生物质衍生物等有机分子的腐蚀性及原位生成自由基易导致电解水设备的短寿命、高成本等问题仍需解决。

科研生涯

MVC: 在您的众多优秀成果中,哪些工作是您最喜欢或者最值得骄傲的呢?

YNJ:我喜欢我和我团队发表的每一个工作。然而每个工作都还没有好到让我可以为之骄傲的。一方面,已发表的工作只是我们前期想法和实验研究的体现与总结;另一方面,每一个工作发表之后,我们还需要继续深入地探究下去,没有止境。比如,我们虽然成功地把导电金刚石薄膜及其纳米结构用作电极来构建包括柔性电容器在内的高性能超级电容器,利用环境污染物或生物质衍生物的阳极氧化反应替代析氧反应实现了高效二氧化碳还原及电解水制氢,通过催化剂的电子结构和形貌调控实现了醇类物质向二氧化碳的直接有效氧化。但是如何实现这些电容电极和催化剂的量产却尚未解决,还有它们的储能机理以及催化过程中的协同效应也并未完全阐述清楚。这些问题是激励我们取得下一个更为优秀成果的动力和源泉。

MVC: 请问在您的科研生涯中,哪些事情或者哪些人对您产生过重要影响呢?

YNJ:毋庸置疑,对我影响最深的是我的父母。我出生在山区,长于山区,是一个不折不扣的山里娃。从小父母就教育我要好好学习,长大后争取成为一个有用的人。大学毕业后在继续读书还是去工作的十字路口,是他们鼓励我继续攻读研究生、出国留学读博士。父母的朴实,为孩子的倾心付出和无言的支持,让我从他们那里获得了最美、最恒久的教育。他们影响着我的科研态度,造就了我的科研征程——静下心来踏踏实实地研究基础科学,耐得住寂寞做小众研究,不追求不适合自己的研究热点。

MVC: 您在科研历程中遇到过的最大困难是什么?您是如何克服这些困难的呢?您认为这些困难对您的成长有怎样的影响?

YNJ:在我的科研经历中遇到的最大困难莫过于在十字路口上对科研方向和领域的选择。金刚石材料电化学方向是很小众的,但我们已经坚守这块阵地十几年了,形成了具有一定特色的小众研究方向,并得到了国内外学者的一致认可。当然,我们也一直尝试着把这个传统小众方向揉和到新的科研方向和领域里面,希望以旧壶装新酒的方式吸引、鼓励更多的优秀学者加入,一起攻坚、共同镇守这一基础研究方向和领域,同时也期望实现科研的百家争鸣、百花齐放。

MVC:从事科学研究往往需要投入很多的时间与精力,也面临很大的工作压力,您平时有哪些兴趣爱好能够帮助您重新找回自我,满血复活呢?

YNJ:一静一动两个爱好:看电影和骑自行车。

箴言赠语

MVC: 您对于有志从事化学储能研究的年轻学子们有什么建议吗?

YNJ:健康、敢想、肯做、交流与合作!首先得拥有健康的心理和强健的体魄。其次是大胆去想、去尝试前人未曾提及或未见报道的想法和实验。再次需要在实验室里坐得下来、不惧怕失败、反复验证实验想法。最后是善于交流与合作。与外界交流、与志同道合者合作其实是一种很好的相互学习、共同提高的方式,也是取得共赢的有效途径。

MVC: 您认为有一个充实而又快乐的科研生活,其关键在于哪些因素呢?

YNJ:首先,得平衡工作和家庭。工作和家庭是一体的,同时也是互补的。只有工作而没有家庭的科研生活是不会真正、长时间快乐的。因此,我们的所有规划中得给家人留空间和时间。其次,得正确对待科研成果,成功时不骄傲、失败时不气馁!得之淡然,失之坦然,争其必然,顺其自然。失败时就应该加强学习、多给自己充电。终身学习、随时随地学习是法宝。当然,身心健康则是保证充实而又快乐科研生活的前提和先决条件。