——记温州大学化学与材料工程学院材料系系主任杨植

　　□  倪海波
　

　
　　“充电5分钟，通话2小时”，一句不靠情怀也不靠文采却足够有冲击力的广告词，吸引了无数的消费者，一直从荧屏内火到了荧屏外。这句简单有力的广告语充分证实了充电快、续航久的“硬实力”，是现代电子产品的发展诉求。而要实现这一目标，首先要突破的问题就是电池的性能。如何快速有效又安全地完成充电？这也是相关科研人员争相研究的热点，浙江温州大学教授杨植就是其中一位，多年来他一直致力于锂电池和燃料电池两种高效、清洁、绿色的能源技术。从2003年开始至今，他已在这一领域坚持了15年，并取得了多项可喜成绩。他这样给自己定位：“我做事的风格就是不求做多大，而是要做得精，做得要有特色，要有用。”
　　

敢于突破瓶颈，锂硫电池研究创新多

　　随着新能源技术的飞速发展，人们对日常电子消费品以及电动汽车等的需求也在不断提升，而这也对二次电池的性能提出了更高的要求。电子信息时代，几乎人人都离不开手机或电脑。同时，人们也有一个非常直观的需求，那就是希望电子产品“待机时间越来越长，充电时间越来越短，价格越来越便宜”，而杨植目前正在研究的锂硫电池就有可能实现这些目标。
　　“从2003年到现在已经有15年了，我一直在做这方面的研究，主要研究碳材料在电池上的应用。”杨植说道，在湖南大学博士毕业后，他还在北京天奈科技有限公司工作了一年多时间，并任碳管应用研发组组长。这段企业工作的经历，也给杨植今后的科研工作带来了实实在在的影响。“做研究，就得解决实际问题”，他说。
　　2009年，来到温州大学，杨植继续从事电池方面的研究，这得益于浙江省碳材料技术研究重点实验室提供的良好平台。转眼间，9年时间已过去，杨植在自己的领域也取得了诸多可喜成就。尽管团队规模不算大，由于温州大学暂无博士点，学生里最高学位只有硕士，但杨植始终坚持一步一步来。
　　“发展具有高比能量、低成本且对环境友好的新型锂电池已成为目前锂电池研究领域最亟待解决的课题之一。”杨植说道。而单质硫由于具有理论比容量高、价格便宜、资源丰富以及对环境友好等优点，是理想的正极材料。锂硫电池已成为当前高能量密度二次电池研究的一个重要突破口。尽管在理论上硫作为锂电正极材料具备以上诸多优点，然而，如要真正实现此类材料大规模商业化应用，有关硫正极的研究仍面临一些科学和技术难题。比如，在锂硫电池充放电的过程中，会生成具有一定可溶性的长链聚硫离子，当其在正负极穿梭时，会析出难溶物阻碍活性物质硫（或锂）与电解液的接触，造成电池容量的衰减。这种现象在锂硫电池领域被称为“穿梭效应”（shuttle）。近年来，如何抑制聚硫离子的“穿梭效应”提高电池的循环性能，也一直是锂硫电池领域的一项重要科学和技术难题。
　　就目前的研究现状来说，锂硫电池距真正的产业化应用仍有较大距离，而其中在硫正极仍有一些重要的技术瓶颈和基础科学问题亟待突破。正是基于此，杨植课题组近年来一直致力于锂硫领域的研究。2015年，课题组利用二氧化钛可以选择性化学吸附硫这一特性，设计和开发出了基于石墨烯/二氧化钛的超轻插层膜。由该插层膜所组装的锂硫电池在3C的放电电流下循环1000次后，展现了优异的循环稳定性，相关研究结果发表在Advanced Materials上，连续3年入选ESI高被引论文。在此基础上，杨植还由部分生物小分子二硫苏糖醇（DTT）在室温下能自发剪断存在于蛋白质中的双硫键，从而破坏蛋白质的三维结构这一现象受到启发，设计和开发出了基于二硫苏糖醇/石墨烯的超轻插层膜，该膜能很好地利用DTT高效剪切双硫键的特性，在聚硫离子出现的源头直接有效控制的其形成、聚集等问题，使用该技术后所组装的锂硫电池在5C的放电电流下循环1100次后，仍展现了很好的循环稳定性。相关结果已经发表在ACS Nano上，入选ESI高被引论文。
　　对于锂硫电池的研究，努力提高高倍率性能一直是一个重要课题。在未来锂电池的应用领域中，动力电池将占据非常大的市场份额。而在大电流密度下，能否实现电池的稳定充放电运行也是评价动力电池性能的一个重要指标。因此，如能充分利用超高温处理后石墨烯、氮化硼材料自身好的导热性能，能协同隔膜散热，或许能很好地解决上述难题，而杨植课题组近年来也一直致力于锂硫电池的高倍率性能研究。2016年，课题组报道设计和开发出了基于氮硫双掺杂石墨烯的超轻插层膜，该膜能很好地发挥双掺杂石墨烯高导电、导热、高效化学吸附硫的特性，并能协同保护隔膜等，使用该技术可以帮助实现锂硫电池在8C下1000次的稳定充放电，且电池最高可以在40C下运行。相关结果已经发表在Journal of Materials Chemistry A，并入选封面论文。在此基础上，杨植及合作者还设计开发了一种基于氨基修饰氮化硼/石墨烯复合插层膜，该电池在3C下，能实现1000次的稳定充放电，先关结果已经发表在Advanced Energy Materials上。另外，杨植及其合作者还发展了一种基于石墨烯/多孔氢化二硫化钛的复合插层膜，将该膜应用于锂硫电池后，在30C下能实现千次的稳定充放电。
　　基于这些工作，目前，在浙江省自然科学杰出青年基金的支持下，杨植团队正展开“高效聚硫离子转化催化剂的设计合成及对锂硫电池的性能增强机理研究”。“我们想通过这样一个项目，让锂硫电池性价比更高，充电更快，待机时间更长，更安全。”杨植说，当前项目正在顺利进行。
　　

致力燃料电池，清洁高效能源获突破

　　除了锂离子电池，燃料电池也是杨植一直研究的方向。
　　何为燃料电池？“燃料电池，从字面上看，是由燃料和电池两个词组成。 燃料，通常是指能通过化学反应释放出能量的物质。燃料有许多种，最常见的如煤炭、天然气、乙醇等，它们的主要成分是含碳或碳氢氧化合物。而燃烧可以把燃料所蕴含的化学能转化成热能，然后再通过设备转化成电能，如火力发电。但是这中间会产生很多损耗，燃料的利用率不高，而燃料电池就是直接能把化学能转化为电能。”杨植介绍道，“它是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。”可见，燃料电池直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音无污染，正在成为理想的能源利用方式，更被称为“最有发展前途的发电技术”。?但市面上的燃料电池并不多，因为这种电池需要催化剂来加以运作，对催化剂的要求更高。受制于目前铂基催化剂昂贵的成本和有限的使用寿命，燃料电池还无法被大规模应用，因而开发新型廉价的非贵金属催化剂，一直是燃料电池研究领域的热点和难点之一。
　　据杨植介绍，其团队研究非贵金属催化剂已有八九年的时间。在国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等的资助下，杨植和黄少铭教授课题组，在不断探索中，研制出了一种较为廉价的催化剂，更有望替代贵金属铂基催化剂，应用在燃料电池中。该项研究结果已发表在Advanced Materials杂志上。
　　据杨植介绍，这是一种简单的、通用的基于雾化乙醇辅助热解途径，来制备碳纳米管阵列/过渡金属氧化物（氧化锰、氧化锌、氧化镍、四氧化三铁、二氧化钛）复合材料的新方法，采用该法制备的二氧化锰/碳纳米管阵列复合材料，在碱性环境中呈现优异的氧还原电催化性能，可望作为一种替代的贵金属铂基催化剂，应用在燃料电池阴极。
　　同时，课题组还开展了杂原子（包括硫、硒、碘等单或双杂原子）掺杂碳材料作为燃料电池阴极氧还原催化剂的性能研究。相关研究结果发表在ACS Nano、Chem. Commun.等国际重要学术期刊上。其中，2012年发表在ACS Nano的论文，在国际上率先报道了硫掺杂石墨烯氧还原电催化剂，该论文目前被引用1110次（谷歌学术搜索），入选ESI热点论文和高被引论文。
　　由于是实验室少量制备，生产成本还不好准确计算。“但我们相信日后如果大量制备，推向产业化，生产成本就能大大降低，因为碳本身并不昂贵。”杨植满怀信心地说道。  
　　

育人因材施教，科研踏踏实实

　　除了科研工作，杨植也在承担教学工作，对于人才的培养，这些年的经验也让他有了自己更多的心得和体会。“我觉得对于科研人才的培养，对于本科生、研究生的培养，更多地要切入实际。”杨植说道，而这恰恰也是他当年的企业工作经历留下的深深感触。“要做有用的科研，要解决实际问题。”
　　杨植会根据学生的具体和实际情况，为他们做出更好的帮助和指导。“如果他们想读博，继续深造，我会鼓励他们学好基础知识的同时，尽早去和自己的导师建立联系；如果他们对工程方面或者对应用和企业方面感兴趣，那我会尽可能多地带他们去企业实践，提前做好沟通交流，让他们更早地去适应。”此外，杨植还深有体会地说：“我觉得培养人才除了传授知识之外，更重要的是要让他看到问题，培养他们解决问题的能力。”看得出来，杨植最希望的就是能够培养出“有用”的人才，能真正为国家做出贡献的人才，并在自己的专业领域有一定影响的人才。
　　同时，杨植表示，除了在基础研究和理论研究上的突破应用之外，他更希望能够将科研成果转化成产品，能够让产品真正进入寻常百姓家。“因为在企业待过，脑子里面一直有这样一个信念。”杨植说道。
　　在做科研的同时，还要承担教学和培养学生的工作，同时要为科研争取经费，杨植一人身兼数职，很多事都必须亲力亲为，承担着多个角色的任务和使命，每天工作都在10多个小时以上。说起科研道路上的困难，杨植坦言，这些算在其中。以前杨植也有自己的兴趣爱好，有时间就去打打球，但现在，他半开玩笑地说：“有时间看球都已经很好。以前看NBA、看世界杯，现在能够看看新闻就不错了。”尽管几乎把所有时间都用在了科研事业上，但杨植的言语之外也流露出了满足和自豪感。
　　至今，杨植已经在温州9年了，作为湖南人的他自称现在也是一个“新温州人”。温州人自古有着鲜明的特色，做生意更是在全国出了名，有经济学家这样形容“温州人精神”：白手起家、艰苦奋斗的创业精神；不等不靠、依靠自己的自主精神；闯荡天下、四海为家的开拓精神；敢于创新、善于创新的创造精神。而这种精神也深深影响和感染着杨植，“这里的领导和同事，都非常勤劳和勤奋，他们经常牺牲休息时间去工作，为学院、为实验室、为学校发展去拼搏努力”。?
　　踏踏实实做事，潜心深入做科研，一步一个脚印，这是杨植的做事风格。在接下来的科研道路上，他还是会一如既往地坚持着自己的原则和理念：“不需要把每一件事情做大，而要把每件事情都做精做好。”
　　
　　
　　　　
专家简介：
　　
　　杨植，温州大学化学与材料工程学院材料系系主任、研究员、瓯江特聘教授。浙江省杰出青年基金获得者、温州市青年拔尖人才、首届新湖青年学者。2003年7月，湖南理工学学院应用化学专业本科毕业；2009年3月，湖南大学材料物理与化学专业博士毕业。2017年1月至今，温州大学化学与材料工程学院研究员；2017年5月至今，温州大学化学与材料工程学院瓯江特聘教授。  
　　近年来一直致力于纳米结构碳材料的结构设计、性能调控及在锂硫电池、燃料电池、电催化等领域应用的基础及应用基础研究，主持国家自然科学基金以及省级项目多项。已发表SCI论文70篇（其中第一或通讯作者30篇），论文被他引3800余次，H因子26，申请发明专利10余项。其中，在温州大学工作期间，在Advanced Materials、ACS Nano、Nature Communications.等IF大于10.0的期刊发表论文10余篇，在Chemical Communications、Small等IF大于6.0的期刊上发表论文40余篇，8篇入选ESI高引论文，3篇入选ESI热点论文，7篇通讯作者论文单篇引用超过100次，通讯作者论文单篇最高引用1100次（谷歌学术搜索）；曾受邀为国际著名电化学能源杂志Journal of Power Sources撰写综述，研究成果也多次被选为Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nanoscale等杂志的封面。先后主持国家自然科学基金（4项）、浙江省杰出青年基金等项目，获教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖（第三完成人），温州市科学技术进步奖（第二完成人）。所指导的硕士生获浙江省化学会创新奖。现为Nature系列刊物、JACS、Angew Chem. Int. Ed.、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Chemical Society Reviews等40种国际权威杂志的审稿人。