WILEY 人物访谈——北京化工大学于乐教授

温室效应对人类生存环境的影响日渐严重,双碳政策的落实势在必行。高性能的新型化学电池是非常有潜力的储能方式,这将助力可再生能源的转换与存储,从而推进碳达峰、碳中和目标的早日实现。本周的Wiley人物访谈,我们介绍一位优秀的青年科学家——于乐教授。于教授长期从事于电化学储能材料的研究与开发,在电池领域内取得了一系列优秀的科研成果。接下来我们一起来揭开新型电池电极材料开发的神秘面纱。

于乐,北京化工大学化学工程学院教授、博士生导师。2008年本科毕业于山东大学,2011年硕士毕业于上海大学,2016年博士毕业于新加坡南洋理工大学,师从楼雄文教授。研究领域是新型微纳米结构功能材料设计与合成,尤其是中空纳米功能材料的优化设计与合成探索,并研究功能纳米材料在电化学储能转化领域,如锂/钠离子电容器、电池、电催化等的应用。近年以共同作者身份在Science AdvancesNature CommunicationsChemJouleAdvanced MaterialsAngewandte Chemie International EditionAdvanced Energy MaterialsAdvanced Functional MaterialsEnergy & Environmental ScienceAccounts of Chemical Research等国际学术期刊上发表论文90余篇,其中48篇ESI高被引论文。其中以11篇封面/内封底论文,1篇扉页论文和2篇VIP论文,SCI总引用20000余次,H-index为70。2018年入选科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高引科学家名单(Cross-field, 跨学科领域)。2019、2020、2021连续三年入选科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高引科学家名单(化学、材料科学双领域)。2021入选爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者(化学工程领域)。现任Energy & Environmental MaterialsGreen Energy & Environment 、《物理化学学报》、《稀有金属》青年编委、《山东化工》编委。讲授本科生课程《物理化学I》、《物理化学II》、《物理化学II实验》,讲授研究生课程《储能材料》。

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作呢?您对哪些研究方向比较感兴趣呢?

于乐(下称Yu):课题组目前研究工作集中于两个方面:一方面是用于锂/钠/锌金属负极保护的表界面工程调控;一方面是高性能水分解电催化剂的设计制备。我对高比能水系锌离子电池、锂金属电池、锂-二氧化碳电池、锌空电池的研究方向比较感兴趣。

MVC:双碳政策的推出,将会逐渐改变中国的能源结构,这对能源领域的基础研究有怎么样的指引作用?

Yu双碳政策对能源领域既是机遇,也是挑战。随着双碳政策的提出,传统化石基能源的利用需要进行提升和优化。而可持续能源,如太阳能、风能等的利用则将高度依赖于高能量密度、高功率密度储能体系的研发。现有储能体系如锂离子电池和超级电容器的正负极、电解液隔膜体系的关键材料的研发和体系升级将为双碳政策的开展提供解决方案。因此,基于金属负极的各类储能体系,如锂金属电池、钠金属电池、锌金属电池等新兴储能体系将大放异彩。如何从热力学基础和动力学过程上改善这些新兴体系的性能,并从实验室规模到推广至产业化,则是这些领域基础研究的终极目标。

MVC:一项研究工作从实验室规模到产业化,需要经历哪些阶段?如果将您的研究工作进行产业化,您认为还面临那些挑战?

Yu一项研究工作从实验室规模到产业化,一般需要经历小试、中试和产业化阶段。如果将我的研究工作进行产业化,我认为面临的挑战还有很多。要跨越基础研究和商业化的鸿沟。首先是需要合适的技术方案,减少产品的制备环节,寻找最有效、最有经济效益的路线。然后要考虑产品的放大效应,依靠专业化工团队,对产品进行放大。此外,还需要进行有效的推广,酒香也怕巷子深。最终,产业化依赖于性能的提升,只有好产品才会有好口碑,才能真正的脱颖而出!

MVC:您在Wiley旗下的期刊上发表了很多优秀的研究工作,可以就您最喜欢的一项工作具体聊一聊吗?(比如灵感来源、有趣的现象、遇到的挑战以及解决办法等等)

Yu在Wiley旗下的期刊上发表的每个工作我都如数家珍,都非常喜欢,下一个发表的工作才是我最喜欢的工作(哈哈~~)!我就聊聊最近的用于金属负极保护的三个工作吧,这三项工作都是基于微纳结构设计及表界面调控,但我们每次都是总结之前的经验教训,升级再出发。金属负极的沉积会引发巨大的体积形变,而如果不加以引导,很容易会造成枝晶生长并引起一系列的安全问题。中空材料可有效缓解电极材料在充放电过程中的体积形变,因此我们结合之前在自模板法设计中空材料积累的经验,设计了一系列的中空载体材料用于锂/锌负极的保护。第一项是2021年我们在AM上发表的关于采用嵌入镍钴纳米颗粒的莲藕状碳纤维用作锂金属负极载体(Adv. Mater. 2021, 33, 2100608)。我们通过自模板法结合电纺丝技术在微纳尺度上对三维碳基载体进行中空结构设计、表界面亲锂性组分调控,进而引导金属锂的沉积行为。自模板法简化了合成工艺,三维中空载体提供了锌沉积的空间,而表面镍钴金属颗粒的引入也使碳材料表明限域沉积成为了可能。这个工作是我回到北化工之后第一篇关于金属负极保护的工作,挑战较大,但也为我们后续的工作打下了基础。在此基础上,2022年我们在AM上发表了嵌入亲锌铜纳米盒的氮掺杂碳纤维实现稳定的锌负极(Adv. Mater. 2022, DOI:10.1002/adma.202200342)。所引入的铜可以与锌结合生成铜锌合金,进一步改善了载体亲锌性。通过对载体表面进行了优化升级,进一步拓展了中空材料在锌金属负极载体上的应用。此外,为了进一步发挥水系电池体系高功率密度的特点,我们改善了载体的微纳结构设计,改善其动力学行为,采用具有反蛋白石结构的三维亲锌阵列载体(Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61, e202115649)。受益于独特的开放式结构和良好的亲锌性,载体可以诱导金属锌在框架内成核和生长,形成稳定的无枝晶锌金属负极。

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?

Yu在我的科研生涯中,我的家人和我的两位导师,上海大学袁帅教授和新加坡南洋理工大学楼雄文(Xiong Wen (David) Lou)教授对我的影响十分重要。

我家人的大力支持和默默付出,是支撑我整个学习生活和科研生涯的重要动力!每当我遇到挫折的时候,家人的安慰总会让我再次鼓起勇气,扬帆起航!

袁老师是我的硕士导师,也是我科研道路上的引路人和指明灯,是袁老师让我走进纳米结构世界这个神奇的殿堂。直到现在,我依然清晰地记得我和袁老师第一次见面时,袁老师用他风趣幽默的谈吐向我展示了纳米材料这个神奇领域的冰山一角,使当时我这个科研小白对纳米材料产生了浓厚的兴趣,暗暗立下决心,一定要在纳米领域做出一番成绩。而袁老师对科研事必躬亲,工作时孜孜不倦的态度直到现在也在激励着我。

楼老师是我的博士导师,也是我科研道路上的榜样和灯塔。在新加坡待过的七年时间里,我从一个对科研懵懂的毛头小伙,成长为一个真正的科研工作者,离不开楼老师的殷切教诲。楼老师经常教导我,科研无小事。楼老师对待科研的态度向我展示了什么是工匠精神。无论是示意图的修改、词汇的使用、还是文章的校稿,楼老师都是把细致和严谨的作风贯彻到每一个工作中,令我终身难忘,受益颇深!当我回国自己成为一名老师的时候,更能感受到楼老师的严谨治学、真诚为师!

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?

Yu我在科研中历经很多困难,但我是个乐天派,我总是相信尼采的名言,那些打不倒我们的困难,终将让我们变得更强大。无磨砺,无成长!感谢我一路走来所经历的各种困难和磨难!

MVC:您的团队在招收研究生时,哪些能力、品质、性格是您所更为看重的呢?

Yu我在招收研究生时,看重具有团队意识具备学习能力的同学。能力可以有大小,但责任意识是一个团队凝聚在一起的核心品质,如果能思团队之所想,急团队之所急,那么这样的同学肯定会拥有一个不错的未来。

MVC:注意到您科研之余还教授本科生课程,可以谈一谈您的授课风格吗?您认为本科阶段的基础理论课程对于科研学术有着怎样的作用呢?

Yu我在北京化工大学教授《物理化学》。得益于我们这个国家级精品课程团队的良好氛围,我在授课的过程中逐步学习各位前辈,如我们的教学名师张丽丹老师、白守礼老师的特长和风格,形成了“兴趣主导、教学相长”的授课风格。我在教授时经常会引入物化在生活和科研中的例子,激发起学生学习的兴趣,让学生感受到学习的乐趣!我想只有这样才能真正的学以致用,教学相长。本科阶段的基础理论课程对于科研学术有很大的帮助。比如我们物化中有关于界面现象的章节,这和我们电化学研究的界面科学息息相关。这个章节的知识可以帮我们理解界面的一些亲核设计的重要性。而我在本科学习的很多科目,比如《材料科学基础》、《材料分析方法》直到现在都在指引我的科研学术工作。

MVC:科学工作之余,您如何平衡生活和工作?您最大的爱好是什么?

Yu科研和生活对我来说都非常重要,密不可分。当然,科研对我来说占据了生活的大部分时间,我会在能空出的时间里,尽可能关照家人。比如,有时我会把科研带入到生活之中,通过生活中一些简单的小实验引导孩子对科学的兴趣,科研带娃,看小朋友们“哇塞”的表情,非常开心!我平时最大的爱好,是看美国职业篮球联赛。我是金州勇士队的球迷,欣赏库里打球可以放松自己,同时勇士队坚韧的品质也激励着我一路前行!