什麼是“CQU盾”?重大化學化工學院的這位副教授為燃料電池發展保駕護航!

能源是國民經濟發展的命脈,關係到國計民生和社會的穩定與發展。尋求新型清潔能源並依靠科技全方位提高傳統能源的轉化利用效率,是我國能源工作的重中之重,更是人類社會解決能源問題面臨的共同挑戰。目前,新能源的應用範圍越來越廣,從航空航天空間探測器使用的氫能到微縮於生命體中的 “生物超級電容器”新型儲能系統,新能源正以嶄新的面貌融入到我們的日常生活。

國家“十四五”規劃建議中提出要“加快推動綠色低碳發展”,為我國綠色新能源的發展提出了明確的方向和目標。對此,重慶大學化學化工學院丁煒副教授認為:“這是新能源科研工作者和從業者的機遇與挑戰。我們要在此契機下,為我國新能源領域新型產業的形成貢獻力量,推動新能源汽車、能源新材料領域等產業化的發展”。

其實早在二十年前,我校魏子棟教授就已經開始在新能源領域進行探索,他領導下的重慶大學化學化工學院新能源化工團隊是國內最早開展先進新型電能源研究的團隊之一,在燃料電池、氣體多孔電極以及電催化劑等方面形成了優勢與特色,取得了一批具有國際影響力的研究成果,為下一階段的新能源的運用與推廣奠定了良好的基礎。

什麼是“CQU盾”?重大化學化工學院的這位副教授為燃料電池發展保駕護航!
如今,丁煒作為該新能源化工團隊的核心成員,主要以降低燃料電池成本、提升燃料電池效能與可靠性為主線,潛心鑽研電化學催化與新型非貴金屬催化材料。他提出“原子尺度‘限維度‘特性的賦予,催化劑特異性的‘非限表達’”的學術思想,開展貴金屬替代電催化劑關鍵科學技術研究;分別在燃料電池非貴金屬催化劑的綠色宏量製備技術,非鉑燃料電池複雜環境下的穩定執行以及催化劑原子利用率的大幅提升方面取得了突破性的研究成果。 

近年來,丁煒的重要研究成果發表於Nature catalysis、Chem、JACS、Angew等化學、化工、能源學科權威期刊,共計40餘篇,其中3篇次論文入選ESI 1%高被引論文,論文總引次數2230,H-index 24,並形成了3種燃料電池用非鉑催化劑技術產品;榮獲2017年度重慶市人民政府科學技術獎自然科學一等獎(4/5)、2016年度中國發明協會發明技術銅獎(2/6)、2019年重慶市黨委組織部英才青年拔尖人才、2020年重慶市自然基金傑出青年基金專案和國家自然科學基金優秀青年基金專案支援。

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在燃料電池領域,有一個普遍的認知,“燃料電池清潔無汙染,但制約燃料電池大規模商業化的最大弊端就是所使用的催化劑鉑儲量稀少且價格昂貴。”丁煒說,燃料電池等新能源技術,依賴鉑作為催化劑,鉑的大規模使用勢必導致全球鉑資源的極度短缺,而我國的鉑儲量更少,僅佔全球儲量的0.58%,鉑資源勢必成為我國氫能等新能源技術發展的卡脖子環節。“近年來,我們努力的方向之一,就是希望能研究出能替代鉑的非貴金屬催化劑及其相應的燃料電池技術,實現燃料電池的非鉑化和低成本化,這樣才能讓燃料電池走進各行各業,使其應用更加廣泛。”

研究過程中,丁煒及其團隊發現:透過對含氮聚合物無機鹽水溶液混合物的蒸發重結晶,能夠將含氮聚合物固化在無機鹽晶體中,又因為鹽封的三維局域空間可將低溫下隨心所欲設計的聚合物形貌,最大限度地保留到高溫碳化後的終極產品中,使其獲得優異的三維傳輸通道,增加了活性位點在催化三相介面的暴露,有效解決了直接碳化過程中存在的嚴重燒失、高季胺氮摻雜和結構坍塌問題;克服了軟硬模板法合成催化劑時,模板與奈米催化劑分離的世界性難題;實現了廉價高效能碳基催化劑的綠色宏量製備。該項研究成果被國內外科學網站譽為“新型燃料電池催化劑的得力助手”。

此外,由於城市環境中存在著大量氮氧化物和硫氧化物,在接觸空氣的陰極氧還原的過程中,即使空氣中存在微量的硫氧化物(SOx)或氮氧化物(NOx),也會毒化催化劑,顯著降低燃料電池的活性和穩定性。鉑類催化劑易 “中毒”,而降低燃料電池可靠性。非鉑催化劑在複雜汙染環境下則具有更高的應用價值,透過對催化劑分子結構的適當設計與構築,可使催化劑對氮氧化物和硫氧化物有較好的抗中毒能力,從而提高非鉑燃料電池在可靠性方面的優勢。

有趣的是,在重慶大學新能源化工實驗室中,丁煒與他的團隊發現了一種氮、磷、碳摻雜的催化劑,這種催化劑在酸性或鹼性條件下都對毒性分子有較強的耐受性。丁煒給這種催化劑取名為“CQU盾”,“它就像拿著一個盾牌,將氮氧化物和硫氧化物隔離在外面,使反應得以快速進行。”機緣巧合之下,丁煒發現催化劑中的化學元素“cpn”與重慶大學的簡稱有些相似,便將其名稱定為“CQU盾”。作為重慶大學的老師,丁煒為他們所發現的催化劑賦予了具有“重慶大學”符號的名稱。

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“現在燃料電池陰極已經可以找到較為合適非鉑類催化劑,雖然穩定性仍需要提升。但是,燃料電池的陽極有高酸性和高電壓,除鉑這類貴金屬外,鮮有物質能夠勝任催化氫氣或甲醇等物質的氧化反應,因此要想實現完全非鉑十分困難。”丁煒介紹,他們在基於半導體自由電子調控金屬d帶中找到了靈感,成功研發出具有高活性和抗氧化性的金屬釕、鎳等非貴陽極催化劑。

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說起與重大的故事,丁煒有太多經歷可談及,“我讀研究生時就來到了重大,從最開始對科研的不瞭解、初入實驗室的手足無措到後來對科研工作產生濃厚興趣,一路走來我認為自己與所有的同學並無差異。”但在科研的起始中,一位導師的出現,讓丁煒的人生髮生了重大轉變,他就是重慶大學化學化工學院院長、重慶市“新能源化工”創新團隊學術帶頭人魏子棟教授。兩人共處12年間,從師生到同事、科研夥伴,魏子棟不僅是丁煒科研路上的啟蒙者,更是最大的支持者和解惑者,讓丁煒逐漸找到自己的價值與閃光點。

“海闊憑魚躍,天高任鳥飛”是魏子棟經常用來鼓舞丁煒和學生的話。“這已經成為我的座右銘了,我現在也說給自己的學生和團隊,藉此來激勵他們在自己的科研工作中要敢於發現和創新,要相信自己,不要輕易否定自己的研究方向和想做的事。”多年來的親身經歷和實踐感悟,成為丁煒科研路上最大的收穫,也成為他如今站上講臺最大的底氣。

作為重慶大學化學與化工學院的青年中堅力量,丁煒深感責任重大。對於學院及學科的發展,他認為優秀的師資力量是最重要的也最核心的。為此,他在繁忙的科研工作中,堅持進行教育教學工作,兢兢業業,從不敢懈怠。他結合魏子棟教授的教育教學理念和自身經驗,總結創造出針對不同年級學生的“個性化”教學體系,根據專業知識技能學習與個人成長髮展的漸進性,對本科生、研究生、博士生提出各有側重的培養要求。

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對於本科生的教學,他認為大多數本科生學習能力較強,但是在學以致用以及對知識刨根溯源的能力上相對較弱。因此,丁煒十分注重對本科學生的思維訓練,希望他們能夠在應用中理解知識,課堂上透過研討等方式啟發學生思維,課後佈置不限字數與篇幅的原創論文作業,以此方式來鼓勵學生大膽進行創想。

面對研究生,丁煒認為科研興趣和科研素養是最為關鍵的。為此,他認為做科研必須要具備“三個信心”:一是要對自身有信心,無須沉溺在短暫的失敗中,並用失敗而否定自己。二是要對從事方向有信心,做到堅持且不斷完善,不可盲從也不能隨意更改。三是要對自己的團隊、平臺有信心,團隊和平臺的發展能促進個人發展,團隊合作在關鍵問題的解決方面具有不可替代的作用。“剛進入實驗室的研究生往往會對自己產生懷疑,對於自己是否適合科研十分迷茫,這是大多數做科研的人都會經歷的困惑期,這‘三個信心’可以幫助學生開啟興趣大門並真正熱愛上科研,成長是需要點耐心與執著的。”

丁煒的博士生何倩說:“對於博士生的培養,丁教授提醒我們不要過於看重文章的發表數量,要對每一次實驗、每一個新問題進行全面分析與深入思考,才能更快更穩步的提升個人能力與科研實力。”丁煒表示,他對博士生的要求非常嚴格,希望他們能真正的學到知識,也希望他們以後可以做一個對科研真正有用的人。在博士生王健的印象中,丁煒教授是一個十分正派、直接、豪爽的人,他對科研保持著很高的熱情,對待科研工作特別嚴謹認真,但生活中卻十分和藹可親,時常關心學生的生活情況,當學生遇到困難時會盡己所能地給予幫助。

從成為教師的第一天開始,丁煒就對自己提出了更高的要求,時刻勉勵自己傳承化學化工學院的優良傳統,在科研工作中堅持創新發展。他對於自己的學生有著殷切地期盼,希望學生能夠始終保持對知識的渴求,勇於突破現有的知識體系,創新大膽地探索未知,在學術品格上要像“打不死的小強”,不懼困難,不忘初心,在自己選擇的道路上越走越遠,為國家和社會做出應有的貢獻。

文字:孫琳潔 吳蓉 劉粟夫 趙幸 程筱錦 李瀾

圖片:楊萬淑 張元漢

編輯:方嘉怡

指導:李婷婷

版權宣告:本文源自 網路, 於,由 楠木軒 整理釋出,共 3454 字。

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