探索燃料電池奧秘

「通往科學研究的頂峰雖然充滿坎坷，但是只要咬緊牙關朝前走，一定能看到壯麗的日出。」日前，中國地質大學（武漢）材料與化學學院吳豔副教授在接受採訪時這樣說道。她說這句話，是有原因的。她和燃料電池研究課題組師生們，在科學研究之旅上，不停地跋涉，如今看到了科學的微光。

科研「三人行」，

組隊探索燃料電池奧秘

7月10日，世界頂尖期刊《科學》（Science），刊發學術論文《電場誘導異質界面金屬態構建超質子傳輸》。吳豔為第一作者，朱斌教授和宋懷兵副研究員為共同通訊作者。這是我國科技工作者在能源領域取得的又一重要原創性研究成果。

對於燃料電池研究課題組師生而言，能夠在該刊發表論文，是莫大的驚喜，也是莫大的鼓勵。「燃料電池創新研究，是最近這些年科學界關注的熱點，我們長期開展科研攻關，能夠貢獻智慧和力量，這也是我們應有的擔當。」朱斌教授說。

燃料電池課題研究組是一個非常年輕的團隊，成立於2016年，核心的團隊固定成員有三人：吳豔、宋懷兵和朱斌。三人相識於偶然，成就於必然。朱斌是吳豔在瑞典皇家工學院讀博期間就認識的學者，後來到地大任職講座教授，一直和吳豔有多方面的合作，而吳豔與宋懷兵因為一次實驗偶遇，兩人一個側重化學能源轉換研究，一個側重光電能源轉換研究，兩者有很好的交叉融合，宋懷兵嘆服於吳豔敏銳的科研洞察力，「我們合作會不會碰撞出不一樣的火花？」帶著對未來美好的期盼，三人就這樣「組隊」了。

燃料電池是什麼？簡單地講，就是繼水力發電、熱能發電和原子能發電的第四種發電技術。其潔淨、高效、無汙染特點越來越引起關注。燃料電池技術成為國家能源發展戰略的一個重點領域，高離子電導率的電解質開發，是解決目前燃料電池應用的關鍵。

經過無數次線上線下討論，結合彼此專業背景和特長，著眼於解決領域關鍵科學問題，圍繞燃料電池研究，課題組將方向定為「異質界面電荷傳輸行為探究」。大量文獻調研後，他們發現了一種很神奇的物質——鈷酸鈉，它是一種內部絕緣、外部導電的拓撲材料，而且表面具有金屬態，可以沒有阻礙地實現電子傳導行為，鈉鈷氧和其他材料複合後，這種金屬態可以持續保留，這正是他們一直在尋找的表面電荷可控的界面傳輸材料。

通過大量實驗篩選，課題組鎖定了幾種特定材料作為另一種異質材料，在將鈷酸鈉和氧化鈰進行複合時，他們有了一個驚人的發現：在溫度低於200攝氏度的情況下，這種複合材料的電導率是傳統電解質材料的近1000倍，這個發現讓他們振奮不已。

吳豔（左一）、宋懷兵（右一）等課題組成員在探討

與實驗「抬槓」，

燃料電池研究有新驚喜

在科學研究中，一旦深入到某個領域，腦海中就會有無數個為什麼。不停地追問、不停地用實驗作答。宋懷兵說：「從事燃料電池的科學研究，本質上就是發現問題、分析問題、解決問題。」為什麼離子傳輸性能這麼高，是什麼離子傳輸在其中起主導作用？不同比例的鈉鈷氧複合物，如何影響電池的效率？發現很驚人，但怎麼弄清它的作用機制，仍然面臨諸多困難。

「這是一個有挑戰性的研究課題，很多科學難題，需要我們去探索。」吳豔對這段曲折的研究過程記憶深刻。她說，因為是一個全新的研究，課題組將多數科研經費投入到實驗儀器和材料的購買上。他們也沒有前人的經驗可以借鑑，有段時間他們的研究，處於極度困惑中，實驗沒有起色，一次次地做實驗，一次次地探討，每次交流都是一次頭腦風暴。「我們周末節假日，基本上都在實驗室，唯一的一個半天不在實驗室，那是去醫院取藥。」

科學實驗的過程，也是考驗人的意志的過程。武漢夏天酷熱，辦公室儀器的轟鳴聲和散發的熱量讓人難以忍受，他們笑稱「每天免費蒸桑拿」。在測試燃料電池的壽命問題時，實驗過程必須24小時有人輪流堅守，團隊所有師生採取「車輪」戰，白天晚上不間斷實驗，有一次實驗持續了近200個小時。

正是這樣的堅持，終於迎來了希望的曙光。他們採用巧妙的設計，通過液相外延生長，在片狀的鈷酸鈉界面上外延生長了氧化鈰納米材料，從而構建了研究模型-鈷酸鈉/氧化鈰異質材料界面，解決了如何構建異質材料界面關鍵性問題。研究如同給質子修建高速公路，助推超質子實現又快又好地「跑起來」，從而獲得優異的電導率，為燃料電池將來的應用推廣插上翅膀。

鐵杵磨成針，

一篇論文經歷百次修改

為什麼會決定向頂尖刊物《科學》投稿？宋懷兵介紹，半導體異質結構和場誘導加速離子遷移，是能源科學領域具有挑戰性的研究課題。研究著眼於解決燃料電池領域的關鍵科學問題，為優良質子傳輸材料和應用提供了創新思路，為質子限域傳輸提供了科學方法，該成果將促進新一代燃料電池研究和發展，對發展能源新材料和新技術具有重要科學意義和應用價值，決定向《科學》雜誌投稿，也是情理之中的事情。

論文撰寫是一個反覆打磨精益求精的過程，團隊成員從標點到圖表，每一個細節都儘量做到完美。《科學》雜誌對論文要求極高，怎樣在有限的字數中精準提煉出文章的要點、體現出研究的創新點、展現文章的深度和清晰度，團隊成員反覆對論文精雕細琢。2019年12月，團隊收到《科學》雜誌的關鍵意見反饋，當時朱斌教授身在瑞典的家中，三人為了更充分高效地回覆審稿意見，他們從早上7點一直工作至第二日的早上8點， 整整連續工作了25個小時，沒有離開過辦公室。

2020年7月，燃料電池團隊的最新科研成果發表在《科學》雜誌上，他們歷經4年的辛苦付出，終於有了回報。「剛開始投稿還有點小忐忑，但論文被接收後，大家反而很平靜，有一種水到渠成的感覺。」吳豔說，她的兩臺電腦、兩個硬碟裡全部被實驗數據裝滿，從論文初稿到最後發表，前前後後修改100多次，100多個版本。

在燃料電池研究中，為了將設計落到實處，以及從原子分子級別探究其內在機理，他們必須和其他科研院所開展聯絡與合作。遇到不懂的問題，他們通過郵件、電話、面對面等方式交流，向國內外同行請教，不放過任何一次學習交流的機會。「現在的科技創新，學科之間交叉和各種資源的整合，已經成為必然趨勢。我們搞科研，要有開放的心態和合作的意識，需要協同創新。」

如今，中國地質大學（武漢）燃料電池研究課題組在《科學》發表創新研究成果後，引起業內和媒體的眾多關注。「我們能在《科學》發表論文，和學校的長期支持鼓勵是分不開的。」吳豔說。接下來，課題組將圍繞已經取得的研究成果，結合學校特色優勢學科，繼續深挖礦物界面離子傳輸機理的「秘密」，搭建礦物材料界面電性能資料庫，在科研中繼續大幹一場。