龔鳴：迎接未來能源

劉玉杰

近幾年來，“碳達峰”“碳中和”成為備受關注的熱詞。這是中國基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求做出的重大戰(zhàn)略決策——二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。

在此背景下，作為實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”的重要路徑，新能源與可再生能源又一次迎來了重大機遇與挑戰(zhàn)。怎樣用科技創(chuàng)新助力能源轉(zhuǎn)型和革命？不同領域的科研工作者給出了不同的解決方案，而在復旦大學青年研究員龔鳴看來，氫能等新能源技術無疑擁有廣闊的前景。

與能源結緣

進入21世紀以來，隨著現(xiàn)代信息化、工業(yè)化進程加快，能源革命也在全球如火如荼地上演。但在2007年邁入清華大學校園前，龔鳴也不會想到，有一天他將與能源結緣，并以可再生能源、分布式能源、低碳清潔能源為主要研究方向。

“進入清華大學還有化學領域的經(jīng)歷都很神奇，其實完全是陰差陽錯?！饼忴Q說，他從小就是一個興趣非常廣泛的人，尤其喜歡研究理科各領域的知識。高中時期，他就以應用數(shù)學為目標進行了深度鉆研，后來進入清華大學的契機也是由此而來。

2005年11月，吉林一車間發(fā)生爆炸，爆炸發(fā)生后，約100噸苯類物質(zhì)（苯、硝基苯等）流入松花江，造成了江水嚴重污染，沿岸數(shù)百萬居民的生活受到影響，引起了社會極大關注。盡管還在讀高中，但看到電視上不斷播放的嚴重水污染事件，龔鳴也動起了心思，決定從數(shù)學的角度為水污染事件作點貢獻。在此驅(qū)動下，他建立了一個針對污染物擴散的數(shù)學模型，并寫了一篇論文。也正是因為這篇論文讓他通過自主招生上了清華大學，也因此獲得了往后從事科學研究的機會。

“我們那時自主招生填報志愿時間很緊，也沒時間仔細思考從事的方向，就想換一個領域嘗試一下，所以就想到了化學?！边M入化學系后，那一年系里正好開設了一個化學與生物方向的基礎科學強化班，龔鳴不假思索就直接報考了。面試的考官看到龔鳴過往數(shù)學與物理的研究經(jīng)歷感到好奇，問他為何選擇來化學與生物方向時，龔鳴直接回答“我沒試過，想來試一試”，就這樣誤打誤撞進了化學與生物領域。那時的龔鳴也沒想到，這一“嘗試”就奠定了未來科研生涯的主方向。

大學第一年，龔鳴就比常人更早進了實驗室做研究。用他自己的話說“不屬于天賦型選手，學生時期很少拔得頭籌，所以在科研方面也要先走一步”。但也許這和他從小的家庭環(huán)境和父母教育方式有關，從小父母就很少對他的學習成績提出要求，時常鼓勵他發(fā)展和專注于一些個人愛好，也因此他才能在高中繁重的學業(yè)時期做一些自己喜歡的研究。

進入清華大學化學與生物強化班還有實驗室后，在師長、伙伴們的帶領下，龔鳴也漸漸領略到化學的魅力并沉入其中，本科畢業(yè)后成功申請了美國斯坦福大學化學專業(yè)直接攻讀博士。作為全球頂尖學府之一，斯坦福大學化學系聚集了全球各地、不同專業(yè)背景的優(yōu)秀人才。對于龔鳴來說，這里就是學術自由的殿堂，每天和大家一起討論學習，學術視野得到了極快成長。

不僅如此，龔鳴的博士導師還是美國集“四院院士”于一身的戴宏杰教授，先后當選美國科學院院士、美國藝術與科學院院士、中國科學院外籍院士、美國醫(yī)學院院士。在這樣多學科交叉融合的背景下，龔鳴的化學科研之路越走越寬。博士期間，龔鳴正式踏上了能源領域，在電解水制氫、鋁離子電池、水系電池等方面做了深入研究。

龔鳴介紹，鋁是可實現(xiàn)三電子氧化還原過程的質(zhì)量數(shù)最低的元素，質(zhì)量能量密度僅次于氫、鋰，加之鋁在地殼中豐度高、價格低，是最具資源循環(huán)潛力的電極材料。在了解到鋁離子電池的巨大前景之后，龔鳴與一位訪問學者共同開展了鋁離子電池研究，并突破性地發(fā)現(xiàn)鋁負極在咪唑基離子液體中可逆氧化還原反應的重要特征，石墨正極配合，首次形成電壓為2V、容量為65mAh/g、可充放7500圈的鋁離子電池，并結合先進表征提出了四氯合鋁負離子在石墨層中的嵌層機理，為鋁離子電池系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了理論基礎。這一成果發(fā)布后立刻得到了國內(nèi)外同行的廣泛關注，被BBC、ABC、CNN等國外知名媒體報道，并獲得2016年度美國科學技術創(chuàng)新獎（R&D 100 Awards）銀獎。

在此基礎上，龔鳴申請了美國加利福尼亞大學伯克利分校從事博士后研究，繼續(xù)分子催化劑領域的相關探索。在此期間，他針對煤基能源化工重要的平臺分子CO，通過有機分子/無機材料復合物的策略，設計出了桌式卟啉框架分子/金屬銅復合催化劑，形成具有籠狀結構的分子/材料界面，通過氫鍵調(diào)控并穩(wěn)定反應中間體。相較未修飾金屬銅，該復合物能提高CO至C2產(chǎn)物的選擇性近一個數(shù)量級，開辟了電催化劑設計的新思路。依托該成果，龔鳴成功申請美國專利1項，并拓展了更多有機分子/無機材料復合物的合成策略及催化應用，為工業(yè)生產(chǎn)提供了潛在的基礎材料解決方案。

零排放的電解水產(chǎn)氫

在太陽能、風能等一眾未來能源中，氫能比較特殊，無法從自然界中直接利用獲取，屬于二次能源。但因其重量輕、能量密度高、導熱性好、元素普遍、燃點高等眾多獨特的優(yōu)勢，氫能被認為在21世紀有可能成為世界能源舞臺上舉足輕重的二次能源。正是因此，氫能也成為龔鳴的主要研究方向。

二次能源只能由一次能源加工、轉(zhuǎn)化而成，目前經(jīng)過加工獲取氫氣的辦法很多，但大部分效率很低，尋求大規(guī)模、廉價、綠色的制氫技術是各國科學家共同關心的問題。在龔鳴看來，電解水制氫可能是最佳答案。

“首先電解水制氫是完全零排放的轉(zhuǎn)化方式，一些化石能源也可以制氫，但同樣會產(chǎn)生二氧化碳?！饼忴Q介紹，“碳達峰”“碳中和”的目標很明確，就是要竭盡所能減少二氧化碳的排放，電解水制氫零排放就是很大的一個優(yōu)勢。同時，作為轉(zhuǎn)化的一次能源，水資源來源廣泛，隨處可得，是比較便利的方式。

不過，從專業(yè)角度來看，電解水制氫化學方程式雖然看起來比較簡單，但在實際生活中要想通過電解水的方式大量生產(chǎn)氫氣還是非常困難的，這在能量上是很難發(fā)生的一個過程，需要設計催化劑去降低反應所需要的能量。電解水的兩極，一端在產(chǎn)氫，另一端在產(chǎn)氧，這兩極各自需要各自的催化劑。國外中學的探究性實驗課程就有相關內(nèi)容，采用的是9V的電池加上兩根鉛筆觀察電解水的過程。而實際上，電解水產(chǎn)氫只需要1.23V，關鍵就在于如何去設計催化劑了。

龔鳴所做的就是針對這一催化過程進行研究，他以過渡金屬化合物/碳納米管復合物為切入點，通過碳納米管表面含氧官能團的有效控制實現(xiàn)對過渡金屬前驅(qū)體成核與生長的調(diào)控，同時在兼顧碳納米管的高電子傳輸速率的前提下，實現(xiàn)對表面化學環(huán)境的可控調(diào)變，構筑出多例具有高析氫（HER）或析氧（OER）活性與穩(wěn)定性的電催化劑。

“我的博士生導師就是做碳納米管研究的，了解到碳納米管有一個特殊的性質(zhì)就是導電性比較強，我們就想能否做一些碳納米管復合物，增強它的導電性，因為電解水里面導電性很重要?！饼忴Q介紹。基于此設想，他們研發(fā)出了鎳鐵層狀氫氧化物（NiFe LDH）/碳納米管復合物OER電催化劑，獲得比貴金屬Ir基催化劑更高的活性和穩(wěn)定性，該工作發(fā)表后受到了廣泛的關注，他引位列前茅。同時該NiFe LDH催化劑也已逐漸成為繼Ir基催化劑之后的又一OER催化劑參考體系。

不僅如此，龔鳴還原創(chuàng)性地利用碳納米管抑制納米晶聚集，實現(xiàn)納米尺度氧化鎳/金屬鎳異質(zhì)結的可控合成。該催化劑具有接近于貴金屬Pt基催化劑的HER活性，并結合電化學表征和理論計算的方法提出氧化鎳/金屬鎳的電催化界面效應，為電催化體系中金屬/金屬氧化物界面的可控構筑中提供了新的思路。并且，通過碳納米管表面含氧官能團誘導形成非典型的納米片狀立方相鈷摻雜二硫化鐵，他們還顯著提高了二硫化鐵基催化劑在酸性條件下的HER活性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)基于低成本鐵基析氫催化劑的突破。同時，他還將前期研發(fā)出的過渡金屬HER和OER催化劑耦合，首次創(chuàng)制出<1.5V的低成本、高效率電解水系統(tǒng)，實現(xiàn)了單節(jié)七號電池驅(qū)動電解水制氫，并被Science新聞報道。

“鎳鐵水滑石可能之前很多人都研究過，但從沒有人提出可以將之作為電催化劑使用，我們的創(chuàng)新之處可能就在于發(fā)現(xiàn)了一些新的催化劑的活性相?！饼忴Q介紹，其實最初他們也沒有意識到水滑石可以作為催化劑使用，只是在多次實驗過程中發(fā)現(xiàn)了這一傾向?！八悦恳淮螌嶒灥募毠?jié)都需要注意把握，可能會產(chǎn)生一些新的火花?！饼忴Q說道。

迎接未來能源任重道遠

盡管氫能作為一種備受關注的未來能源，擁有廣泛的應用前景，但離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用仍有一段距離。

“首先，鑒于歷史上有很多氫氣爆炸事故的發(fā)生，安全地使用和儲存氫氣非常重要。并且，基于氫氣極低的密度與強擴散性，最終會逃逸出地球，以及這對臭氧層是否會產(chǎn)生不利的影響？”龔鳴介紹，只有更好地認識氫能的問題，才能更好地駕馭和利用氫能。

當前，龔鳴的研究主要針對兩個方向：一個是以應用為目標，希望將他們研發(fā)出來的催化劑等材料能夠真正地應用到實際制氫設備中，同時解決生產(chǎn)工藝放大過程中出現(xiàn)的基礎科學問題;另一方面，他們也要面向未來，不僅要尋找新的技術來突破當前工藝中存在的局限問題，還要思考氫能大規(guī)模應用后對人類、對未來可能帶來的影響。

在技術方面，當前電解水制氫主要分為四大類技術：堿槽電解、質(zhì)子交換膜（PEM）電解、陰離子交換膜（AEM）電解及高溫固體氧化物電解。其中，堿槽電解技術相對比較成熟，適合大規(guī)模制氫，但產(chǎn)速較低、電耗較大。而龔鳴從事的堿性電解水的研究，主要目標就是通過高豐度、低成本的催化劑，以降低整個電解水制氫的電耗。

“目前化石能源制氫已經(jīng)是一個比較成熟的體系，成本相對而言會比較低。因此要大規(guī)模發(fā)展電解水制氫就需要將它的成本進一步降下來，比如通過我們所研發(fā)的一些催化劑等新技術提高效率、降低能耗?！饼忴Q介紹，通過精準的材料設計，可以比現(xiàn)在工業(yè)上用的催化劑降低大概20%的能耗。由于現(xiàn)在電解水的主要成本來自于電耗，所以20%的能耗下降就意味著可以大大降低制氫的成本。

不過，隨著制氫電耗慢慢下降，催化劑的研發(fā)也逐漸接近一個瓶頸期。如何突破現(xiàn)有能耗形成下一代電解水技術，龔鳴和團隊也在思考這一問題。同時，電解水制氫的同時，另一端也在產(chǎn)生氧氣，這些氧氣從空氣中就可以得到，價值不是很高，而且產(chǎn)氧的過程電耗很大，在面向氫能可持續(xù)發(fā)展方面必須考慮氧管理問題。“比如，是否能有一種天然的資源可以捕獲氧，形成高附加值的產(chǎn)物？這樣就可以在產(chǎn)氫的同時將水中的氧轉(zhuǎn)移到更有價值的地方去，一舉兩得，還能進一步降低制氫的成本。”龔鳴表示，這些天然資源其實并不難找，但在下一代耦合電解水產(chǎn)氫技術方面還有很長的路要走。

自2019年5月從美國加利福尼亞大學引進回國后，龔鳴就在復旦大學組建團隊，針對氫能領域的這些未來技術進行研發(fā)。盡管實驗室組建不久就遇到新冠肺炎疫情暴發(fā)，但團隊成員的工作并沒有受到太大影響，目前，他們已針對電解水產(chǎn)氧端的催化劑反應機理進行了深入探索和研究，瞄準分子和材料結合的模式，通過一些已知的化學性質(zhì)的分子去觀測表面反應的機理，目前該研究已發(fā)表了一篇論文。

“我們把這些分子叫作探針分子，以前電化學反應其實很少用探針分子去研究背后的產(chǎn)生機理，我們希望能將之引入到電化學系統(tǒng)里來?！饼忴Q說，化學領域很多成果有時候就是從不斷實驗中得來，盡管實驗過程失敗的次數(shù)不計其數(shù)，但堅持很重要。

2019年12月，基于在氫能領域多年來取得的重要成果和研究，龔鳴入選《麻省理工科技評論》中國“35歲以下科技創(chuàng)新35人”榜單。對于可持續(xù)氫能的未來，這位青年科學家充滿了期待。他表示，作為化學與生物領域的科研人員，他將帶領團隊從分子和材料結合的角度做更多研究，為國家能源轉(zhuǎn)型、人類可持續(xù)發(fā)展貢獻自己的力量。