【】张生：这张膜将改变燃料电池
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张生在实验室陈曦摄
周二有约
陈 曦
文质彬彬、不爱言辞 ， 典型的学者风 ， 初识天津大学化工学院优秀青年教授张生 ， 他给人这样的印象 。
然而 ， 当聊起他深耕了十几年的电化学研究 ， 张生瞬间变了一个人 ， 侃侃而谈 。一直和各种电池打交道 ， 并取得多项世界级研究成果 。张生坦言：“利用电化学原理开发清洁能源技术是我的理想 。”
近日 ， 张生与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆爵士等人合作 ， 证实了石墨烯、氮化硼等二维材料具有质子传导性 ， 并进一步发现 ， 把自然界中广泛存在的云母用于燃料电池的高温质子交换膜 ， 比目前商用膜性能更优、更节能环保 。这两项研究成果分别发表在世界顶级学术期刊《自然·纳米》与《自然·通讯》上 。
自小与“电”结下不解之缘
“我从本科到博士一直读的都是电化学专业 ， 回想起来 ， 我从小就对电特别好奇 。”回忆起和电化学结缘 ， 张生娓娓道来 。中学时 ， 张生最喜欢的化学实验就是拆开收音机用过的旧电池 ， 把二氧化锰和锌做的电极插入碱性溶液中 ， 就会产生电 ， 让小灯泡亮起来 。“现在想来 ， 干电池就是最简单的电化学原理的应用 ， 即将化学能转化为电能 ， 专业术语叫作‘原电池’ 。”
2005年读研究生时 ， 张生第一次接触到了燃料电池 ， 自此一干就是十几年 。“燃料电池是一种很棒的清洁能源技术 ， 不受热力学循环限制 ， 能量转换效率极高 ， 而且燃料电池发电过程的产物只有水 ， 没有碳排放 ， 非常环保 。”张生感慨地说 ， “但当时我国燃料电池研究才刚起步 ， 研发出来的燃料电池成本高 ， 很难实现商业化 。”
张生读博士的时候 ， 主要的研究方向就是降低燃料电池成本 。他和所在的团队通过碳改性 ， 增加廉价金属用量 ， 达到了和用昂贵的铂金催化剂做电极一样的效果 ， 电极成本极大降低 。
在燃料电池中 ， 质子传导性能对于燃料电池能量转化效率非常关键 。“当时只有全氟磺酸膜 ， 技术垄断价格高而且不耐高温 。燃料电池需要的质子传导膜既要非常薄 ， 还要像一张‘网’一样 ， 孔洞大小只能让质子快速通过且能阻挡反应物氢气的渗透 。但当时由于我的知识局限性 ， 还不足以攻克这个难题 。”张生解释道 。
带着这个遗憾 ， 张生去了美国进行博士后研究 ， 主攻方向是温室二氧化碳的电化学转化利用 。在国外学习工作期间 ， 他接触到了更多的材料学、化学、物理等方面的知识 ， 这些新知识拓展了他的视野 ， 但寻找性能更优良的质子传导膜这个难题始终让他念念不忘 。
破解提升燃料电池性能难题
【【】张生：这张膜将改变燃料电池】张生的执着让他的人生轨迹再次与燃料电池产生交集 ， 优异的研究成果使张生获得欧盟杰出人才计划资助 ， 到英国曼彻斯特大学工作 ， 专心进行质子交换膜的难题研究 。
“寻找能够做‘网’的二维材料这件事 ， 说起来容易 ， 但研究过程也是一波三折 。”张生说 ， 根据各种文献和之前的研究 ， 他们找到了石墨烯这种二维材料 ， 本以为找到了一张合适的“网” ， 但事实证明 ， 这条路才刚刚开始 。石墨烯材料是由碳的六元环结构组成的 ， 十分不稳定 ， 需要以铜片为基底才能稳定成石墨烯膜 。但是铜不能让质子通过 ， 因此还需要把稳定的石墨烯从铜片上转移下来 。
“整整半年时间 ， 我们实验了热压、冷压等二十多种方法 ， 但由于界面作用没那么强 ， 转移过程中石墨烯膜都破损严重 。”回忆起当时的情形 ， 张生至今难忘 ， “我当时的心情 ， 和曼彻斯特的冬天一样 ， 见不到阳光 。”通过总结失败的方案 ， 张生调整思路 ， 最终找到一种胶增加了界面强度 ， 实现了石墨烯膜的完美转移 。
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