“小界面”撬動“大能量”
——記自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目“界面電化學(xué)”

在一個電池中，作為電極的固體與作為電解質(zhì)的液體交界的地方，會發(fā)生奇妙的變化。這里被稱為“界面”，通常只有不到20納米厚，但它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)足以對電池的效率和壽命產(chǎn)生顛覆性影響。

自2011年起，中國科學(xué)院院士、廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授孫世剛作為學(xué)術(shù)帶頭人，在連續(xù)3期國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目（以下簡稱創(chuàng)新群體項目）支持下，圍繞“界面電化學(xué)”開展深入研究。過去9年里，他們從基礎(chǔ)科學(xué)問題出發(fā)，將原始創(chuàng)新的鏈條延長到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，讓“小界面”撬動起“大能量”。

聚焦！從基礎(chǔ)到應(yīng)用

“界面電化學(xué)”創(chuàng)新群體項目始于2011年1月?；趶B門大學(xué)在電化學(xué)領(lǐng)域的深厚積累，孫世剛帶領(lǐng)該?？蒲腥藛T獲得首期資助，于2013年12月順利結(jié)題并通過國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱自然科學(xué)基金委）的考核，批準給予第一次延續(xù)資助。

2014年1月至2016年12月，第二期項目結(jié)題后，該項目又通過自然科學(xué)基金委遴選、擇優(yōu)給予第二次延續(xù)資助。在2019年11月召開的創(chuàng)新群體項目結(jié)題審查會議上，“界面電化學(xué)”獲得全體評審專家的一致認可，以優(yōu)秀的成績順利通過驗收。

得益于我國電化學(xué)奠基人之一田昭武先生對基礎(chǔ)研究應(yīng)貢獻于社會的倡導(dǎo)，創(chuàng)新群體項目成員長期重視應(yīng)用研究，已產(chǎn)生了大量基礎(chǔ)和應(yīng)用性成果。因此，孫世剛總結(jié)道，在“3+3+3”的創(chuàng)新群體項目中，研究人員從界面電化學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)問題出發(fā)，越來越聚焦國家的重大需求。“我們第一期研究內(nèi)容把所有的界面過程都囊括進來了，第二期內(nèi)容則重在拓展新體系，更加關(guān)注基本方法和理論的動態(tài)發(fā)展。”

“到了第三期以后，大家就在商量，怎么能找到突破點，怎么把大家力量結(jié)合起來，真正解決一些重要的科學(xué)問題，能夠?qū)业男枨笞鞒鲆恍┴暙I?！睂O世剛說。

在這一共識下，科研人員將新一期項目聚焦至能源領(lǐng)域。為讓基礎(chǔ)研究成果真正面向應(yīng)用，在第二期后期，趙金保被引進至創(chuàng)新群體項目中。曾在鋰電池生產(chǎn)企業(yè)長期從事研發(fā)工作的經(jīng)歷，使他對基礎(chǔ)研究的理解有著很強的應(yīng)用導(dǎo)向。幾年來，他帶領(lǐng)課題組在國內(nèi)率先成功研發(fā)第一代陶瓷功能隔膜和第二代具有多級溫度響應(yīng)功能的高安全性陶瓷隔膜，已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)造了20多億元的產(chǎn)值。

趙金保介紹，目前具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代高安全性功能隔膜，利用了獨創(chuàng)的耐高溫超薄層立體再修飾技術(shù)，大幅提高了電池安全性。

孫世剛指出：“這9年3期項目的發(fā)展過程，不是僅僅圍繞一個科學(xué)目標去發(fā)散，而是充分體現(xiàn)了在認識科學(xué)問題方面的不斷深化，大家做了很大的努力，從基礎(chǔ)研究做到了實際應(yīng)用?！?/p>

利器！方法學(xué)收獲豐厚

電化學(xué)對于界面的關(guān)注，已經(jīng)不是新聞?！敖缑姘l(fā)生的最重要過程就是電子轉(zhuǎn)移，也就是氧化還原反應(yīng)?！睂O世剛表示，“物質(zhì)到達界面，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移后變成其他物質(zhì)再離開?！?/p>

要為燃料電池、高能二次電池及鈣鈦礦太陽能電池等領(lǐng)域面臨的實際問題尋找切實可行的解決方案，就必須通過更先進的原位表征技術(shù)，“看清”界面原子結(jié)構(gòu)變化和分子反應(yīng)等動態(tài)過程。

為此，創(chuàng)新群體項目成員廖洪鋼設(shè)計、研制出液體芯片反應(yīng)池，發(fā)展了“電化學(xué)原位超高分辨透射電子顯微鏡”，實現(xiàn)了原子/分子尺度實時微結(jié)構(gòu)可視化的觀測和實時物質(zhì)元素價態(tài)變化的監(jiān)測；任斌在國際上首次發(fā)展出電化學(xué)針尖增強拉曼光譜技術(shù)（EC-TERS），將檢測靈敏度進一步提高5～6個數(shù)量級；楊勇開發(fā)的“高空間分辨電化學(xué)原位固體核磁共振技術(shù)”，在高比能二次鋰電池關(guān)鍵材料儲能機理、電極反應(yīng)規(guī)律及電極反應(yīng)動力學(xué)研究上有著重要應(yīng)用。

有了這些“利器”，科學(xué)家在界面表征上收獲豐厚。例如，在高空間分辨固氣和固液界面表征方面，任斌課題組利用電化學(xué)針尖增強拉曼光譜技術(shù)，完成了雙金屬模型催化劑納米尺度空間分辨的電子性質(zhì)研究，有望發(fā)展為原位表征催化劑表面結(jié)構(gòu)及反應(yīng)過程與機理的新工具。在固液界面動態(tài)表征方面，廖洪鋼課題組則利用高時/空分辨原位透射電鏡方法，首次觀察到固液界面新奇的動態(tài)吸附層結(jié)構(gòu)。

在孫世剛看來，探索方法學(xué)實際上是一件非常辛苦的事。“要花很多精力，投入很大。”他說，“創(chuàng)新群體項目支持我們從源頭上基于科學(xué)認識創(chuàng)新方法，發(fā)展出更先進的儀器設(shè)備幫助我們認識更多的新現(xiàn)象，又反過來促進了我們對界面本質(zhì)和科學(xué)問題的深入理解?！?/p>

合作！優(yōu)勢互補相融相長

樂于合作的文化氛圍，是創(chuàng)新群體項目的一個特色。用創(chuàng)新群體項目成員、中國科學(xué)院院士田中群的話說叫做“合為貴”。田中群和孫世剛是在廈門大學(xué)讀本科時住在同一個宿舍的同學(xué)，多年的深厚友誼讓他們成為科研上的好伙伴。

“強調(diào)合作為貴，互相補臺而不是互相拆臺?！睂O世剛指出。在創(chuàng)新群體項目支持下，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院電化學(xué)學(xué)科的10多位教授發(fā)揮各自的強項，聯(lián)手共同解決關(guān)鍵科學(xué)問題。

趙金?？磥?，創(chuàng)新群體項目為開展相關(guān)領(lǐng)域前沿科學(xué)研究提供了良好平臺，把從事不同方向工作的科學(xué)家凝聚在一起，完成思想火花碰撞。

例如，擅長掃描微探針表征技術(shù)的毛秉偉與擅長能源電化學(xué)基礎(chǔ)的董全峰緊密合作，用一種非傳統(tǒng)的電化學(xué)方法，實現(xiàn)對堿金屬表面的電化學(xué)拋光和固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）的原位成膜，不僅獲得了大范圍平整的金屬表面，而且構(gòu)筑了均勻光滑的SEI膜。“我相信這項研究能夠解決產(chǎn)業(yè)界的一些實際問題?！壁w金保說。

到第三期創(chuàng)新群體項目結(jié)題答辯時，孫世剛看到團隊樂于合作的氛圍在年輕一代研究人員中越來越濃厚?！拔液芨吲d，這個創(chuàng)新群體項目結(jié)束以后，不僅在廈門大學(xué)內(nèi)部形成了協(xié)作攻關(guān)的氛圍，而且與外面學(xué)校的課題組也形成了交叉合作，希望大家團結(jié)起來共同解決科學(xué)難題?！保ǜ蕰裕?/p>