南京航空航天大学彭生杰教授讲解微纳米结构及新型功能材料设计心得

彭生杰
教授
南京航空航天大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士(Fellow of the Royal Society of Chemistry, FRSC)。入选国家青年人才计划，江苏省特聘教授、江苏省“双创人才计划”、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、南航首批“长空学者”，主持江苏省杰出青年基金、国家自然基金面上项目和南京留学人员科技创新等项目10余项。2010年于南开大学取得博士学位，导师陈军院士。随后分别加入南洋理工大学颜清宇教授和新加坡国立大学Prof.Seeram Ramakrishna（英国工程院院士）课题组进行博士后研究。近十年来，一直从事微纳米结构及新型功能材料的设计、合成及其电化学储能与催化研究，取得了一系列创新性科研成果。其中以第一/通讯作者在Nat.Commun.,J.Am.Chem.Soc., Angew.Chem.Int.Ed.和Adv.Mater.等发表SCI论文100余篇，被引用1.1万余次，H-index 57。目前担任eScience, Energy & Environmental Materials，Advanced Fiber Materials等六本中英文期刊青年编委。

面向国家能源转型背景和“双碳”战略目标，围绕电化学储能技术、储氢技术、氢能应用及燃料电池等领域的突破性技术的创新对可再生自然资源的储备和转化具有重要意义。本期WILEY人物访谈我们邀请南京航空航天大学彭生杰教授为读者介绍他近些年在微纳米结构及新型功能材料的设计、合成及其电化学储能与催化等方面的科研工作和学术心得。

MVC：能否请您先简单介绍一下您课题组的科研工作？

彭生杰（PSJ）：基于当前日益加剧的能源环境问题，国家提出“碳中和、碳达峰”目标，为实现这一宏伟目标，相关领域的科学研究势在必行。因此，我们课题组主要集中在电化学能量转换与存储技术中的储能材料结构-性能的构效关系，开展了纳米电极材料的组成、微纳结构、表面/界面性质等对其储能（金属空气电池、燃料电池、高性能锂/钠/钾/铝离子电池等）、电催化（电解水/海水、二氧化碳还原等）性能影响规律的相关研究，特别关注对于电极反应中的材料的原位结构转变和反应机理的深入探讨。

MVC：在电化学过程中，电催化剂表面位点具有动态特点，能够触发重构现象发生。请问您如何看待表面重构对催化性能的影响以及探索催化剂的动态重构机理的意义？

PSJ：在开发高效非贵金属催化剂的过程中，研究者们通过原位表征技术发现，过渡金属基催化剂在电催化过程中经常会出现价态转变的表面重构现象。重构而成的产物才是催化过程中真正的活性组分，这种表面重构导致了催化剂的活性发生变化，往往伴随着性能的提升，但也有报道限制了催化剂的活性。大多数表面重构主要通过掺杂其他金属元素来实现，同时也可以通过表面功能化、缺陷构造、界面工程、非金属元素调制、表面蚀刻或等离子体轰击来触发。表面重构过程往往非常迅速，这种快速的重建过程加上表征技术的限制，给追踪重建中间体造成了困难，影响了表面重建程度和相应催化活性的判断。因而采用原位表征手段实时监测催化剂催化过程的价态、组成与结构变化能够确定其表面重构后的真正催化活性位点，明确其反应机理十分重要。目前关于催化剂的表面重构机理仍有许多问题需要确认，探索催化剂的表面重构现象对于理解真正的催化机理具有重要意义，值得更多的研究者深入研究。不仅如此，掌握催化剂的表面重构现象也有助于其他类型电催化剂的设计和开发，对提高电催化剂的催化效率，加速电催化剂的商业化进程具有重要作用。

MVC: 金属空气电池由于其远超于现有电池体系的理论能量密度而受到广泛关注，然而对其的研究仍然处于早期阶段。请问是什么造成现阶段的金属空气电池普遍存在电化学可逆性差、实际容量远低于理论容量等问题的呢？请问现阶段的研究主要针对哪几方面来突破这些瓶颈呢？

PSJ：金属空气电池中发生的反应主要包括空气正极中的氧还原(ORR)/氧析出 (OER) 反应以及金属负极的金属溶解和沉积反应，ORR以及OER是四电子过程，其动力学缓慢，需要克服较大的能垒才能进行反应，导致电池在充放电过程中出现较大的过电位，一部分能量用于克服反应能垒，进行电化学极化，而且正极在放电和充电过程中发生的分别是ORR和OER反应，正极需要同时高效催化两者，才能保证充放电的高度可逆，以上原因都导致了金属空气电池可逆性差以及实际容量低的问题。除此以外，金属负极的枝晶生长、钝化、腐蚀以及电解质的碳酸化等也是导致金属空气电池电化学可逆性差、实际容量远低于理论容量的原因。为了解决面临的问题，大部分研究集中在制备高效的双功能催化剂以降低正极反应的能垒，并且优化空气电极的结构设计，以达到空气的快速扩散，与催化剂实现最大化的接触。在负极方面，通过合金化、构建高表面积多孔金属电极结构、采用三维导电主体材料包覆锌等手段减缓负极的腐蚀和钝化、抑制枝晶生长。在电解质方面主要是通过加入添加剂或者改用温和的电解质体系来克服枝晶生长。目前针对金属空气电池的OER/ORR双功能催化剂研究是我们课题组的主要聚焦点，将来也会关注电解质与隔膜材料方面。

Upbringing and early interest in science

MVC: 当您还在上学的时候，您想未来从事什么职业？是什么把您吸引到科学领域的呢？

PSJ：在上学的期间，我对未知领域充满好奇，我希望自己成为科学家或者医生。进入研究生学习之后，对科研的坚持主要还是靠兴趣驱动，在科研中不断发现新事物是一个充满乐趣的过程，这促使我在科研的道路上不断深入，走到现在。

MVC: 如果您没有走科研这条路，您现在会干什么？如果重新选择，您还会继续做学术研究吗？

PSJ：没有走科研这条道路的话，我会成为一名人民教师或者医生。如果重新选择，我仍然会从事科研的道路。科研道路虽然充满了荆棘与坎坷，但是一路上新奇的发现会让人倍感快乐。因此，科研已经成为我生活中不可缺少的一部分，无论再选择多少次，我还是会毅然决然的选择走上科研的道路。

Main fields of interest

MVC: 是什么促使您选择电化学储能与催化作为您的研究课题？您的研究组未来会对哪些研究方向比较感兴趣呢？

PSJ：电化学储能技术是当今我国所迫切需要解决的问题。为应对国家所面临的问题，相关的研究势在必行，其中存在的一些问题也亟待解决。我们课题组未来将会针对清洁能源生产与燃料电池等我国现今所面临的“卡脖子”关键性问题进行研究。

Major scientific achievements in your career

MVC: 对于您发表的著作，哪些是令您最骄傲的？您最喜欢的是您哪部分的研究工作？

PSJ：我对于过去发表过的每一篇工作都非常喜欢，因为每一个工作都代表着我们团队从发现问题并解决问题的过程，也代表着我们在这个方向上的一次探索和一个新的进步。说到最珍视的工作，我希望它正在路上，也许在不久的将来。

Work life balance

MVC:什么时刻您最享受工作中的乐趣？在科研经历中是否有些趣事可以分享？

PSJ：每当在科研过程中有新现象的发现都是我最为享受的时刻。在读博期间，我曾设计了一组实验，在具体操作过程中我想是不是可以尝试下另一个条件，做一组对比实验，这样能使现有的实验结果更具说服力。结果竟真的发现了更有趣的实验现象。这组材料原本仅是用作对比的，甚至最后都准备扔掉了，没想到却获得了意外的收获。科研离不开耐心和细心，只要细心观察，认真琢磨，结果总会让我们惊喜连连。

MVC:请问在您的科研生涯中，哪些事情或那些人对您产生过重要的影响呢？

PSJ：我的导师陈军院士对我的科研生涯起到了举足轻重的影响。陈老师在科研工作上的勤奋与对数据的严谨至今仍然历历在目，并不断的激励着，鞭策着我。博士后期间，Seeram Ramakrishna 和颜清宇教授培养了我独立科研和管理课题组的能力，让我回国后能够尽快转入独立PI的角色，开展科研。

MVC:科学工作之余，您最大的爱好是什么？

PSJ：从事科学研究是我人生最大的乐趣。如今工作已经成了我生活的重要组成部分，我没有太多的爱好，平时忙的时候，晚上就会到实验室加班；空的时候会尽量在家陪孩子。

MVC:您可以推荐一本书或者电影吗？

PSJ：我很喜欢前苏联作家尼古拉•奥斯特洛夫斯基的一篇长篇小说<<钢铁是怎样炼成的>> 这本书中明确写道：“人的一生应当这样度过，当他回首往事的时候，他不会因为虚度年华而悔恨，也不会因为碌碌无为而羞愧。”这句话告诉我们，人生在世，在追求生命长度的同时，更应该追求生命的质量。我也希望能引起大家的共鸣。

Advices to youth

MVC：您认为科研人员最重要的品质是什么？

PSJ：我觉得最重要的品质是勤奋，业精于勤荒于嬉，科研本来就很枯燥要有坐的住冷板凳的精神，有兢兢业业地付出，才会有产出。认认真真，努力干好一件事情，不怕吃苦，踏实工作，我觉得这也是对未来生活的一种重要态度。

MVC：您认为什么是科学家们崇高的志向？您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议？

PSJ：科学家的崇高志向应该是将自己深耕的领域与国家发展和人民生活需要紧密结合在一起，一个人只有将个人理想融入国家事业中才能取得长足的发展。对于青年学生我想说的是：做科研是一件很辛苦的事情，这些艰辛与酸楚，必定会成为你们人生道路上一笔宝贵的财富，那些让你痛苦的，终将让你成长。未经历过痛苦的人生是脆弱、不堪一击的；而在苦难历练下成长起来的人是强大、难以战胜的。正如海明威在《永别了，武器》一书中所说的那样“生活总是让我们遍体鳞伤，但到后来，那些受伤的地方一定会变成我们最强壮的地方。”无论命运给你安排了怎样

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