于“千淘萬(wàn)漉”中求真求實(shí)
——記廣東省科學(xué)院“百人計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人汪福憲

李文博

近年來(lái)，受碳排放政策影響，各國(guó)都在努力實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排。我國(guó)已明確提出碳達(dá)峰、碳中和中長(zhǎng)期目標(biāo)，并在“十四五”規(guī)劃中指出將加快綠色低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)能源清潔安全高效利用。

光電能源催化便是利用可再生能源太陽(yáng)能制備清潔可再生能源的有效手段，其中光電催化制氫更被認(rèn)為是21世紀(jì)的“夢(mèng)技術(shù)”。光電化學(xué)傳感也因簡(jiǎn)單、低背景和高靈敏度的優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛的關(guān)注。在光電催化制氫和光電化學(xué)傳感器領(lǐng)域，我國(guó)科技工作者成果斐然。廣東省科學(xué)院測(cè)試分析研究所光電功能材料與器件研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人汪福憲正是這一領(lǐng)域的前沿技術(shù)探索者。

汪福憲

保持科研本心

時(shí)至今日，汪福憲依然記得，多年前的那堂中學(xué)實(shí)驗(yàn)課上，在老師的演示下，Na在水中劇烈反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，然后氫氣導(dǎo)入易拉罐跟空氣混合，一個(gè)火花刺激，“嘭”地就爆炸了！奇妙的氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)成為點(diǎn)燃少年志趣的火苗。雖然接連在全國(guó)競(jìng)賽中拿下數(shù)學(xué)、物理獎(jiǎng)項(xiàng)，2006年，汪福憲還是堅(jiān)定地選擇了武漢理工大學(xué)材料化學(xué)專(zhuān)業(yè)。

在校期間，汪福憲主動(dòng)申請(qǐng)加入了傅正義教授課題組，在實(shí)驗(yàn)室不光做了許多有趣的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，還接觸到了材料制備與表征技術(shù)，為以后的科研打下基礎(chǔ)。值得一提的是，材料學(xué)院經(jīng)常會(huì)邀請(qǐng)國(guó)際上知名的材料學(xué)專(zhuān)家前來(lái)講座，這些講座成為汪福憲開(kāi)闊視野，了解國(guó)際前沿技術(shù)研究的窗口。“從事科研，并且學(xué)以致用，做應(yīng)用型研究的想法就是在那時(shí)產(chǎn)生的?！?/p>

2010年，汪福憲以數(shù)學(xué)滿(mǎn)分150分，總分第一的優(yōu)異成績(jī)考取了華南理工大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，師從張正國(guó)教授和方曉明研究員，研究方向是熱能高效儲(chǔ)存與利用，兩位導(dǎo)師頂天立地、求真務(wù)實(shí)的科研作風(fēng)深深影響了汪福憲。在導(dǎo)師指導(dǎo)下，汪福憲陸續(xù)發(fā)表論文，于2013年畢業(yè)，前往在化工領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位的德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)讀博。

在德國(guó)讀博的這幾年，汪福憲經(jīng)歷了一場(chǎng)可謂是“千淘萬(wàn)漉”的磨煉?！安┦科陂g，我主要是從事光電催化制氫研究，當(dāng)時(shí)我的導(dǎo)師Roel van de Krol主持了歐盟最大的光電催化制氫應(yīng)用項(xiàng)目（PECDEMO），我承擔(dān)了其中光電薄膜的制備與表征應(yīng)用基礎(chǔ)研究，但是早期工作開(kāi)展得并不順利，前3年沒(méi)有一篇論文發(fā)表?！?/p>

德國(guó)學(xué)校強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力，設(shè)備零部件買(mǎi)回來(lái)后，搭建鍍膜及表征設(shè)備首先就耗費(fèi)了不少時(shí)間。設(shè)備組裝好后，調(diào)試和鍍膜工藝開(kāi)發(fā)也是困難重重。“在工藝開(kāi)發(fā)階段，有一個(gè)噴霧熱解的前驅(qū)體配方的工作，我有300多個(gè)配方，熱解后都不能成膜，什么都沒(méi)有得到?！睂?shí)驗(yàn)在反復(fù)失敗中艱難地進(jìn)行著，沮喪、彷徨、自我懷疑當(dāng)然不可避免，但好在對(duì)項(xiàng)目的熱情、從失敗中總結(jié)規(guī)律的科學(xué)工作方式、導(dǎo)師的支持和肯定共同推動(dòng)著研究繼續(xù)下去。最終，汪福憲逐個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，逐步排查，找到原因，并有針對(duì)性地添加了改性試劑，解決了前驅(qū)體溶液穩(wěn)定性和鋪展性的難題，獲得了光電性能優(yōu)異的催化電極。

“比較令我難忘的是，在還沒(méi)有發(fā)表一篇論文的情況下，導(dǎo)師就鼓勵(lì)我去美國(guó)參加MRS材料領(lǐng)域國(guó)際會(huì)議，我當(dāng)時(shí)還拿到一個(gè)作口頭報(bào)告的機(jī)會(huì)，是唯一沒(méi)有論文發(fā)表就作口頭報(bào)告的學(xué)者?！币舱且?yàn)樵谶@一課題當(dāng)中的不凡表現(xiàn)，在還沒(méi)有畢業(yè)的時(shí)候，汪福憲就被導(dǎo)師推薦到Helmholtz研究所做助理研究員，博士答辯一過(guò)，他無(wú)縫對(duì)接地開(kāi)始了研究工作。值得一提的是，博士生活雖然挑戰(zhàn)連連，但汪福憲仍然像多數(shù)用功的中國(guó)留學(xué)生那樣，只花了4年就畢業(yè)了。

在Helmholtz研究所工作期間，汪福憲延續(xù)了博士期間的課題，這也是他第一次獨(dú)立承擔(dān)一個(gè)科研課題?！拔议_(kāi)發(fā)了一種全新的梯度自摻雜法，提出通過(guò)創(chuàng)建自摻雜內(nèi)建電場(chǎng)的策略，提升了光電極的光電分離效率，相關(guān)工作發(fā)表在JACS上。這段工作對(duì)我來(lái)講非常珍貴，為我日后創(chuàng)建團(tuán)隊(duì)，獨(dú)立開(kāi)展科研工作奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

德國(guó)求學(xué)和工作這5年，汪福憲接受了系統(tǒng)的科研培訓(xùn)，掌握了光電功能薄膜的制備、表征手段，具備了獨(dú)立開(kāi)展科研的能力，特別是在動(dòng)手能力方面有了很大提高。“我當(dāng)時(shí)已經(jīng)能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試光電功能材料相關(guān)的一些設(shè)備和儀器。”更為可貴的是，即便從事科研多年，汪憲福仍然保持著最初看見(jiàn)氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)那種濃厚的興趣。他說(shuō)：“因?yàn)榘l(fā)自?xún)?nèi)心地喜歡，我常常不覺(jué)得辛苦?！?/p>

創(chuàng)建光電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)

廣東省科學(xué)院“百人計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)

2018年，汪憲福結(jié)束在德國(guó)研究的工作，受邀回國(guó)加入廣東省科學(xué)院，還沒(méi)來(lái)得及辦理入職，他就接到了參加“廣東省高校科技創(chuàng)新成果項(xiàng)目”比賽的通知。路演在即，汪福憲單槍匹馬，帶著“氫”潔水源項(xiàng)目前往參賽，最終從573個(gè)項(xiàng)目中脫穎而出，獲得了銀獎(jiǎng)。同年，光電催化制氫項(xiàng)目入選“廣東省高校科技成果轉(zhuǎn)化中心重點(diǎn)轉(zhuǎn)化項(xiàng)目庫(kù)”，汪福憲入選廣東省科學(xué)院“百人計(jì)劃”，在院、所領(lǐng)導(dǎo)的指導(dǎo)幫助下，他著手創(chuàng)建光電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)。

目前，光電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)共有10人，其中，引進(jìn)了青年骨干1名，博士后2名，碩士2名，本科生1名，還有華南理工聯(lián)合培養(yǎng)研究生3名。說(shuō)到此處，汪福憲有些自豪：“我團(tuán)隊(duì)的劉瓊博士入選了廣東省科學(xué)院‘百人計(jì)劃’，成暉則入選了‘博新計(jì)劃’。他們都非常有發(fā)展?jié)摿?。”現(xiàn)在，不足3年，汪福憲團(tuán)隊(duì)已獨(dú)立在相關(guān)領(lǐng)域做出了一系列創(chuàng)新轉(zhuǎn)化成果，相關(guān)工作發(fā)表在AFM、CC等自然指數(shù)期刊上。

在關(guān)于梯度自摻雜鉍酸銅光電極的可控構(gòu)筑及其載流子遷移機(jī)制的研究中，汪福憲團(tuán)隊(duì)針對(duì)“噴霧熱解可控性不強(qiáng)”的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了新型的功率漸變磁控濺射法，實(shí)現(xiàn)了梯度自摻雜光電極的室溫可控構(gòu)筑，相關(guān)技術(shù)已獲2項(xiàng)PCT專(zhuān)利授權(quán)；針對(duì)傳統(tǒng)電解水制氫技術(shù)中氫氧混合易爆，需要隔膜分離的難題，汪福憲團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了低溫甲醇催化安全在線制氫技術(shù)，從根本上避免了氫氣氧氣混合易爆的難題，極大地提升了氫氣制備過(guò)程的安全性。目前首款安全制氫儀樣機(jī)已在進(jìn)行中試和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試，不久后就將面向市場(chǎng)生產(chǎn)；面對(duì)癌癥這一世界性的公共衛(wèi)生難題，汪福憲團(tuán)隊(duì)迎難而上，利用磁控濺射技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種高穩(wěn)定性、可見(jiàn)光吸收的通用光電傳感材料（CuV2O6），并構(gòu)建了可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了癌胚抗原（CEA）和人體血清甲胎蛋白（AFP）等多種腫瘤標(biāo)志物的靈敏、精準(zhǔn)檢測(cè)，為癌癥早發(fā)現(xiàn)早治療貢獻(xiàn)了力量……將科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化與推廣，造福社會(huì)，是汪福憲和團(tuán)隊(duì)成員一直以來(lái)的愿望，現(xiàn)在，他們也正堅(jiān)定行走在這條道路上。

然而，作為光電催化領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)材料，潛在的光電催化材料種類(lèi)異常繁多。再加上，每種材料都有獨(dú)特性能，從眾多的備選材料中篩選出優(yōu)質(zhì)光電催化材料，無(wú)異于大浪淘沙，任務(wù)艱巨。此外，不同研究團(tuán)隊(duì)使用的測(cè)試參數(shù)和條件也各不相同，光電性能因此無(wú)法橫向?qū)Ρ?。?shí)驗(yàn)室研發(fā)所用到的光電測(cè)試儀器因無(wú)法做到微尺度的選區(qū)測(cè)試，很難配合現(xiàn)有的高通量材料制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別空間分辨率……制約條件凡此種種，汪福憲深知其艱。目前，他和團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高通量原位表征設(shè)備，并引入理論計(jì)算與分析，加速材料篩選和優(yōu)化，創(chuàng)建光電功能材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

“我們呼吁大家采用規(guī)范的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，一些突破性的成果盡量找第三方檢測(cè)確保結(jié)果的可靠性。”依托于廣東省科學(xué)院測(cè)試分析研究所的國(guó)家級(jí)分析測(cè)試平臺(tái)——中國(guó)廣州分析測(cè)試中心，汪福憲團(tuán)隊(duì)已經(jīng)初步搭建了能源材料與設(shè)備分析測(cè)試平臺(tái)，現(xiàn)已具備光/電催化反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)物的在線定性定量檢測(cè)能力，并成功將同位素示蹤法用于催化反應(yīng)機(jī)理分析，已為國(guó)內(nèi)外多家單位提供分析檢測(cè)技術(shù)服務(wù)。汪福憲說(shuō)：“未來(lái)，我們希望能繼續(xù)完善能源檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)，覆蓋更多檢測(cè)分析業(yè)務(wù)，為業(yè)界提供更可靠、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。”