刘玉杰

　　

　　

　　近几年来，“碳达峰”“碳中和”成为备受关注的热词。这是中国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求做出的重大战略决策——二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

　　在此背景下，作为实现“碳达峰”“碳中和”的重要路径，新能源与可再生能源又一次迎来了重大机遇与挑战。怎样用科技创新助力能源转型和革命？不同领域的科研工作者给出了不同的解决方案，而在复旦大学青年研究员龚鸣看来，氢能等新能源技术无疑拥有广阔的前景。

　　

　　

　　进入21世纪以来，随着现代信息化、工业化进程加快，能源革命也在全球如火如荼地上演。但在2007年迈入清华大学校园前，龚鸣也不会想到，有一天他将与能源结缘，并以可再生能源、分布式能源、低碳清洁能源为主要研究方向。

　　“进入清华大学还有化学领域的经历都很神奇，其实完全是阴差阳错。”龚鸣说，他从小就是一个兴趣非常广泛的人，尤其喜欢研究理科各领域的知识。高中时期，他就以应用数学为目标进行了深度钻研，后来进入清华大学的契机也是由此而来。

　　2005年11月，吉林一车间发生爆炸，爆炸发生后，约100吨苯类物质（苯、硝基苯等）流入松花江，造成了江水严重污染，沿岸数百万居民的生活受到影响，引起了社会极大关注。尽管还在读高中，但看到电视上不断播放的严重水污染事件，龚鸣也动起了心思，决定从数学的角度为水污染事件作点贡献。在此驱动下，他建立了一个针对污染物扩散的数学模型，并写了一篇论文。也正是因为这篇论文让他通过自主招生上了清华大学，也因此获得了往后从事科学研究的机会。

　　“我们那时自主招生填报志愿时间很紧，也没时间仔细思考从事的方向，就想换一个领域尝试一下，所以就想到了化学。”进入化学系后，那一年系里正好开设了一个化学与生物方向的基础科学强化班，龚鸣不假思索就直接报考了。面试的考官看到龚鸣过往数学与物理的研究经历感到好奇，问他为何选择来化学与生物方向时，龚鸣直接回答“我没试过，想来试一试”，就这样误打误撞进了化学与生物领域。那时的龚鸣也没想到，这一“尝试”就奠定了未来科研生涯的主方向。

　　大学第一年，龚鸣就比常人更早进了实验室做研究。用他自己的话说“不属于天赋型选手，学生时期很少拔得头筹，所以在科研方面也要先走一步”。但也许这和他从小的家庭环境和父母教育方式有关，从小父母就很少对他的学习成绩提出要求，时常鼓励他发展和专注于一些个人爱好，也因此他才能在高中繁重的学业时期做一些自己喜欢的研究。

　　进入清华大学化学与生物强化班还有实验室后，在师长、伙伴们的带领下，龚鸣也渐渐领略到化学的魅力并沉入其中，本科毕业后成功申请了美国斯坦福大学化学专业直接攻读博士。作为全球顶尖学府之一，斯坦福大学化学系聚集了全球各地、不同专业背景的优秀人才。对于龚鸣来说，这里就是学术自由的殿堂，每天和大家一起讨论学习，学术视野得到了极快成长。

　　不仅如此，龚鸣的博士导师还是美国集“四院院士”于一身的戴宏杰教授，先后当选美国科学院院士、美国艺术与科学院院士、中国科学院外籍院士、美国医学院院士。在这样多学科交叉融合的背景下，龚鸣的化学科研之路越走越宽。博士期间，龚鸣正式踏上了能源领域，在电解水制氢、铝离子电池、水系电池等方面做了深入研究。

　　龚鸣介绍，铝是可实现三电子氧化还原过程的质量数最低的元素，质量能量密度仅次于氢、锂，加之铝在地壳中丰度高、价格低，是最具资源循环潜力的电极材料。在了解到铝离子电池的巨大前景之后，龚鸣与一位访问学者共同开展了铝离子电池研究，并突破性地发现铝负极在咪唑基离子液体中可逆氧化还原反应的重要特征，石墨正极配合，首次形成电压为2V、容量为65mAh/g、可充放7500圈的铝离子电池，并结合先进表征提出了四氯合铝负离子在石墨层中的嵌层机理，为铝离子电池系统的进一步发展提供了理论基础。这一成果发布后立刻得到了国内外同行的广泛关注，被BBC、ABC、CNN等国外知名媒体报道，并获得2016年度美国科学技术创新奖（R&D 100 Awards）银奖。

　　在此基础上，龚鸣申请了美国加利福尼亚大学伯克利分校从事博士后研究，继续分子催化剂领域的相关探索。在此期间，他针对煤基能源化工重要的平台分子CO，通过有机分子/无机材料复合物的策略，设计出了桌式卟啉框架分子/金属铜复合催化剂，形成具有笼状结构的分子/材料界面，通过氢键调控并稳定反应中间体。相较未修饰金属铜，该复合物能提高CO至C2产物的选择性近一个数量级，开辟了电催化剂设计的新思路。依托该成果，龚鸣成功申请美国专利1项，并拓展了更多有机分子/无机材料复合物的合成策略及催化应用，为工业生产提供了潜在的基础材料解决方案。

　　

　　

　　在太阳能、风能等一众未来能源中，氢能比较特殊，无法从自然界中直接利用获取，属于二次能源。但因其重量轻、能量密度高、导热性好、元素普遍、燃点高等众多独特的优势，氢能被认为在21世纪有可能成为世界能源舞台上举足轻重的二次能源。正是因此，氢能也成为龚鸣的主要研究方向。

　　二次能源只能由一次能源加工、转化而成，目前经过加工获取氢气的办法很多，但大部分效率很低，寻求大规模、廉价、绿色的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。在龚鸣看来，电解水制氢可能是最佳答案。

　　“首先电解水制氢是完全零排放的转化方式，一些化石能源也可以制氢，但同样会产生二氧化碳。”龚鸣介绍，“碳达峰”“碳中和”的目标很明确，就是要竭尽所能减少二氧化碳的排放，电解水制氢零排放就是很大的一个优势。同时，作为转化的一次能源，水资源来源广泛，随处可得，是比较便利的方式。

　　不过，从专业角度来看，电解水制氢化学方程式虽然看起来比较简单，但在实际生活中要想通过电解水的方式大量生产氢气还是非常困难的，这在能量上是很难发生的一个过程，需要设计催化剂去降低反应所需要的能量。电解水的两极，一端在产氢，另一端在产氧，这两极各自需要各自的催化剂。国外中学的探究性实验课程就有相关内容，采用的是9V的电池加上两根铅笔观察电解水的过程。而实际上，电解水产氢只需要1.23V，关键就在于如何去设计催化剂了。

　　龚鸣所做的就是针对这一催化过程进行研究，他以过渡金属化合物/碳纳米管复合物为切入点，通过碳纳米管表面含氧官能团的有效控制实现对过渡金属前驱体成核与生长的调控，同时在兼顾碳纳米管的高电子传输速率的前提下，实现对表面化学环境的可控调变，构筑出多例具有高析氢（HER）或析氧（OER）活性与稳定性的电催化剂。

　　“我的博士生导师就是做碳纳米管研究的，了解到碳纳米管有一个特殊的性质就是导电性比较强，我们就想能否做一些碳纳米管复合物，增强它的导电性，因为电解水里面导电性很重要。”龚鸣介绍。基于此设想，他们研发出了镍铁层状氢氧化物（NiFe LDH）/碳纳米管复合物OER电催化剂，获得比贵金属Ir基催化剂更高的活性和稳定性，该工作发表后受到了广泛的关注，他引位列前茅。同时该NiFe LDH催化剂也已逐渐成为继Ir基催化剂之后的又一OER催化剂参考体系。

　　不仅如此，龚鸣还原创性地利用碳纳米管抑制纳米晶聚集，实现纳米尺度氧化镍/金属镍异质结的可控合成。该催化剂具有接近于贵金属Pt基催化剂的HER活性，并结合电化学表征和理论计算的方法提出氧化镍/金属镍的电催化界面效应，为电催化体系中金属/金属氧化物界面的可控构筑中提供了新的思路。并且，通过碳纳米管表面含氧官能团诱导形成非典型的纳米片状立方相钴掺杂二硫化铁，他们还显著提高了二硫化铁基催化剂在酸性条件下的HER活性和稳定性，实现基于低成本铁基析氢催化剂的突破。同时，他还将前期研发出的过渡金属HER和OER催化剂耦合，首次创制出<1.5V的低成本、高效率电解水系统，实现了单节七号电池驱动电解水制氢，并被Science新闻报道。

　　“镍铁水滑石可能之前很多人都研究过，但从没有人提出可以将之作为电催化剂使用，我们的创新之处可能就在于发现了一些新的催化剂的活性相。”龚鸣介绍，其实最初他们也没有意识到水滑石可以作为催化剂使用，只是在多次实验过程中发现了这一倾向。“所以每一次实验的细节都需要注意把握，可能会产生一些新的火花。”龚鸣说道。

　　

　　

　　尽管氢能作为一种备受关注的未来能源，拥有广泛的应用前景，但离大规模产业化应用仍有一段距离。

　　“首先，鉴于历史上有很多氢气爆炸事故的发生，安全地使用和储存氢气非常重要。并且，基于氢气极低的密度与强扩散性，最终会逃逸出地球，以及这对臭氧层是否会产生不利的影响？”龚鸣介绍，只有更好地认识氢能的问题，才能更好地驾驭和利用氢能。

　　当前，龚鸣的研究主要针对两个方向：一个是以应用为目标，希望将他们研发出来的催化剂等材料能够真正地应用到实际制氢设备中，同时解决生产工艺放大过程中出现的基础科学问题；另一方面，他们也要面向未来，不仅要寻找新的技术来突破当前工艺中存在的局限问题，还要思考氢能大规模应用后对人类、对未来可能带来的影响。

　　在技术方面，当前电解水制氢主要分为四大类技术：碱槽电解、质子交换膜（PEM）电解、阴离子交换膜（AEM）电解及高温固体氧化物电解。其中，碱槽电解技术相对比较成熟，适合大规模制氢，但产速较低、电耗较大。而龚鸣从事的碱性电解水的研究，主要目标就是通过高丰度、低成本的催化剂，以降低整个电解水制氢的电耗。

　　“目前化石能源制氢已经是一个比较成熟的体系，成本相对而言会比较低。因此要大规模发展电解水制氢就需要将它的成本进一步降下来，比如通过我们所研发的一些催化剂等新技术提高效率、降低能耗。”龚鸣介绍，通过精准的材料设计，可以比现在工业上用的催化剂降低大概20%的能耗。由于现在电解水的主要成本来自于电耗，所以20%的能耗下降就意味着可以大大降低制氢的成本。

　　不过，随着制氢电耗慢慢下降，催化剂的研发也逐渐接近一个瓶颈期。如何突破现有能耗形成下一代电解水技术，龚鸣和团队也在思考这一问题。同时，电解水制氢的同时，另一端也在产生氧气，这些氧气从空气中就可以得到，价值不是很高，而且产氧的过程电耗很大，在面向氢能可持续发展方面必须考虑氧管理问题。“比如，是否能有一种天然的资源可以捕获氧，形成高附加值的产物？这样就可以在产氢的同时将水中的氧转移到更有价值的地方去，一举两得，还能进一步降低制氢的成本。”龚鸣表示，这些天然资源其实并不难找，但在下一代耦合电解水产氢技术方面还有很长的路要走。

　　自2019年5月从美国加利福尼亚大学引进回国后，龚鸣就在复旦大学组建团队，针对氢能领域的这些未来技术进行研发。尽管实验室组建不久就遇到新冠肺炎疫情暴发，但团队成员的工作并没有受到太大影响，目前，他们已针对电解水产氧端的催化剂反应机理进行了深入探索和研究，瞄准分子和材料结合的模式，通过一些已知的化学性质的分子去观测表面反应的机理，目前该研究已发表了一篇论文。

　　“我们把这些分子叫作探针分子，以前电化学反应其实很少用探针分子去研究背后的产生机理，我们希望能将之引入到电化学系统里来。”龚鸣说，化学领域很多成果有时候就是从不断实验中得来，尽管实验过程失败的次数不计其数，但坚持很重要。

　　2019年12月，基于在氢能领域多年来取得的重要成果和研究，龚鸣入选《麻省理工科技评论》中国“35岁以下科技创新35人”榜单。对于可持续氢能的未来，这位青年科学家充满了期待。他表示，作为化学与生物领域的科研人员，他将带领团队从分子和材料结合的角度做更多研究，为国家能源转型、人类可持续发展贡献自己的力量。