WILEY人物访谈——华中科技大学姚永刚教授

人物访谈

将“高熵合金”从体相材料推向纳米材料,赋予了其在能源和催化领域新的活力。本期WILEY人物访谈我们邀请华中科技大学姚永刚教授为读者分享他关于“高熵合金”的研究工作与学术心得。

人物介绍

姚永刚,华中科技大学教授,华中学者,国家四青人才。2010年、2013年获得西安交通大学学士及硕士学位、2018年获得美国马里兰大学博士学位,导师为胡良兵教授。毕业后在马里兰大学从事博士后及助理研究员工作。2020年10月回国加入华中科技大学材料科学与工程学院。

长期从事超高温瞬态合成与制造技术,特别是新型能源材料与低碳快速制造技术的开发。成果在《Science》(2)、《Nature》、《Nat. Nano.》、《Nat. Cata.》、《Sci. Adv.》等期刊发表,论文总被引用10000余次,入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”及科睿唯安“高被引科学家”榜单,并获得美国“2020 R&D 100 award”和2022 Metals Young Investigator Award。

课题组现有成员:刘瀚文 张豪 姚永刚 石文辉 曾凯竹 程志恒

MVC:请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作。

姚永刚(YYG):首先非常感谢MVC提供的这次宝贵的采访机会。我现在为华中科技大学材料科学与工程学院的教师,筹建了高温制造与能源材料实验室,其依托华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,致力于开发新型能源材料与低碳快速制造技术,主要研究方向如下:

1. 新型能源转换与存储材料(催化剂、电池材料等)

2. 超高温合成、电热高温制造(电池材料、电热化工等)

现在课题的开展,多是基于在美国学习和工作时候积累的经验。我们也希望能够尽快做出更多原创性的工作,以新材料、新制造来助力国家的能源转型和碳中和战略。

MVC:近年来,胡良兵老师及您在高熵合金领域的研究成果振聋发聩,其中关于高熵合金构效关系、先进表征技术以及数据驱动的理性设计与筛选的综述发表在《Science》(Science 2022, 376, 3103)上。请为读者简要地剖析当前高熵合金研究领域的重点以及在超高温条件下合成高熵合金的难点。

YYG高熵合金催化剂短短几年发展确实很快。其巨大的成分空间及特殊的高熵结构,有望在单一催化剂内同时实现高活性、高选择性、稳定且成本低的综合性优势。然而,作为一类新型的催化剂体系,目前面临多个挑战,其中最显著的两个难点在于:(1)如何理解高熵合金催化剂体系?我们原有对于催化剂的一些经典理解,比如活性位点,d带理论,构效关系等在高熵合金中似乎有很大的变化,那么适配于复杂高熵合金的催化理论及构效关系是什么?鉴于高熵合金结构异常复杂,这将是一个需要深入且仔细研究的方向。(2)如何设计和开发高熵合金催化剂?高熵合金成分空间巨大,而复杂反应基元步骤很多,如何针对具体反应设计多元高熵合金催化剂,目前还没有非常有效的方法,也很值得研究,尤其是通过数据驱动的新方法。

至于高温合成,目前来说比较大的难点可能在于如何平衡超高温合成的极端条件与催化剂精细构筑与修饰。我们知道催化剂的表面、晶面、形状、大小等都会很大程度影响其催化性能。然而,超高温合成虽然可以很好的保证多元合金化形成高熵相,但往往在表面、晶面、形状等调控上,还没有有效的手段。因此必须寻找进一步提升或与其他方法相结合,通过多步过程实现精准高熵合金催化剂的构筑。

MVC:您在Wiley旗下的期刊上发表了多篇论文,哪篇论文让您最为欣赏?为什么?

YYG首先非常感谢Wiley期刊对广大科研工作者的支持,为好工作提供了好的平台。我对我们组刚发表的一篇AFM论文印象深刻。如上文所说,由于制备条件的限制,大部分的高熵合金催化剂是单一均匀的,而对催化剂进行表面修饰对于进一步提升其性能尤为重要。最近,我们联合北京大学徐冰君教授,苏州大学梁志强教授等人首次报道了一种新型的表面修饰的高熵合金催化剂。这种催化剂以非贵金属高熵合金为核,通过表面定扎将贵金属活性位点更多暴露于表面,通过高熵协同作用,不仅大幅提升了贵金属本身的活性,也利用高熵结构实现了高稳定性并大大降低了贵金属的使用和成本。本论文明确提出了对高熵合金进行表面修饰,为高性能设计提供了一条高效的途径,可以同时达到增强活性、稳定性以及降低成本的目的,适应于多种复杂催化反应。

(1)       Zeng, K.; Zhang, J.; Gao, W.; Wu, L.; Liu, H.; Gao, J.; Li, Z.; Zhou, J.; Li, T.; Liang, Z.; Xu, B.; Yao, Y. Surface‐Decorated High‐Entropy Alloy Catalysts with Significantly Boosted Activity and Stability. Adv. Funct. Mater. 2022, 2204643. https://doi.org/10.1002/adfm.202204643.

MVC:在您的人生经历中对您影响较大的人是谁(们)?

YYG我也想借此机会感谢很多帮助和影响过我的人。从科研事业上来讲,对我影响最大的人是我的博士生导师胡良兵老师,能成为胡良兵老师的学生,我感到非常幸运与自豪。在6年的相处过程中,很多时候被他身上的坚韧、执着、认真所折服,其次才是大家都能看到的天才与光环。胡良兵老师做科研世界一流,对待学生也非常好,是他成就了今天的我,也成就了一批科研的新生力量,所谓“千里马常有,而伯乐不常有”。我也希望自己能够时时向他学习,尽力做好科研,也尽心培养好未来的科学家。

回国后,我来到华中科技大学工作,万事开头难,我非常感谢学校及材料学院各位领导、各位老师对我的照顾,让我在新的地方能够安心做好科研,培养学生,实现自己科研理想的同时也多为国家做贡献。当然,还有太多的人帮助过我、影响了我,在此一并表示感谢!

MVC:您在选择研究生的时候有什么标准?对有志从事科学研究的同学们有什么建议?

YYG因为我回国时间不久,组内学生还比较少,没有明确的选择研究生的标准。但我认为教育是非常伟大的事业,我也遵从“有教无类”的原则。我听过一句话很有感触:教育不是灌满一桶水,而是点燃一把火。作为导师,我特别希望能够点燃学生的科研热情,尤其是科技强国、科技报国的家国情怀。对于有志从事科学研究的同学,我特别希望大家心中要有大目标,瞄准当下社会的时代难题和大问题,同时又能脚踏实地,从自己实验室的基础和积累出发,认真科研、抽丝剥茧,完成一个个小目标。做科研,也需要“顶天立地”。

MVC:科研工作之余,您如何平衡生活和工作?您最大的爱好是什么?

YYG现在确实工作时间较多。平时生活中,我比较喜欢锻炼,特别是自行车、游泳。我之前参加过西雅图-波特兰的长途骑行。不过最近确实运动很少,希望后面能够做好平衡。另外,我个人特别喜欢看电影。电影就像一扇窗,让我能够快速感受或领略不同的人生或情境,每每感触良多。在此,我也希望各位科研工作者,都能做好生活与工作的平衡,多出科研成果,同时生活蒸蒸日上。