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界面电化学:聚焦能源 燃料电池商业仍是重点

北极星储能网  来源:中国科学报    2020/5/25 8:49:02  我要投稿  

北极星储能网讯:《中国科学报》:如何评价我国学者近年来在“界面电化学”方面取得的进展?

孙世刚:经过自然科学基金创新研究群体项目连续三期的支持,创新群体项目成员主要在高指数晶面纳米催化剂、电化学原位高时空分辨拉曼光谱、电化学能源体系界面微观结构和分子水平研究等3个方向上取得了不俗成绩,引领国际研究前沿。

这显著提升了以厦门大学电化学团队为代表的中国学者在国际学术界的影响力,也让中国成为国际上一个重要的界面电化学研究中心。

《中国科学报》:最近10年来,对界面电化学的研究从基础研究走向了产业应用,主要聚焦在哪个领域?

孙世刚:主要聚焦在能源领域。电化学作为一个学科,化学能和电能之间的转换和储存过程是这个学科关注的一个主要问题。最近几年在自然科学基金的倡导下,我们基础科学研究者立足学科、放眼国家重大需求,认识到电化学在化石能源优化清洁利用和新能源开发中能够发挥重要作用。比如,电化学可以直接把化石能源转换成电能,是清洁的。同时,电化学在能源领域的应用场景也发展很快,包括燃料电池、电动汽车等。

所以,我们专门把燃料电池电催化、高能二次电池、钙钛矿太阳能电池等方向纳入界面电化学的研究内容中。我们开始从这些领域中的一些实际应用问题出发,去逐步凝练出源头科学问题开展研究。

《中国科学报》:目前这三类电池的电化学研究中,什么方向是重点?

孙世刚:燃料电池商业化一直受阻于昂贵的铂基催化剂。怎样把催化剂效率提上去,同时把成本降下来,仍是未来研究重点。在这方面,我们在原位表征和理论化学的研究优势下,从纳米催化剂构筑到燃料电池集成,实现纳米—介观—宏观跨尺度的电催化表界面过程监测和调控,力争在超低铂/非铂燃料电池方面取得突破。

高能二次电池的研究重点应放在研发新型高性能电极/电解质材料、新型原位/工况表征分析技术,探索新型电化学反应机制和开发新体系等方面。目前,我们已经在锂电池高安全性隔膜方面进行了产业化工作。

对于钙钛矿太阳能电池,这些年发展很快,特别是在材料设计方面。但仍然面临4个重要问题,包括提高效率、提高稳定性、解决铅毒性、解决光激活效应及滞后效应等。其中很多问题的本质实际上涉及到钙钛矿电池界面的优化,因此如何表征、优化和调控钙钛矿太阳能电池界面是关键,这正是界面电化学的优势。

《中国科学报》:面向未来,除了能源领域的应用外,界面电化学作为一个学科,还有可能在哪些方向上取得突破?

孙世刚:界面电化学是电化学的核心科学问题。按照现有的研究基础,未来有可能在基础理论、基于非贵金属催化剂的燃料电池、超高比能量密度和比功率密度储能体系以及解决一些国家重大需求方面取得重要突破。

比如,基础理论上通过超高时/空分辨实验研究结合理论计算和模型模拟,进一步理解界面结构以及溶液、离子和电极表面的作用。燃料电池的非贵金属催化剂则可以通过多功能的表界面构筑提升性能。而在新储能体系方面,超越传统“离子—电子”的离域共轭储能新机制则应当得到重视。

除了能源领域,相关研究还有望基于对钢筋、混凝土界面复杂过程的研究实现精准监测钢筋腐蚀和安全性,以及开发不锈钢表界面构筑和超高耐腐蚀防护新技术。这些新技术已经并将进一步在国家重大工程上应用。

此外,面向国家微纳制造产业的重大需求,金属电沉积、电聚合、腐蚀和刻蚀等界面电化学过程,将在微纳机电系统、微纳结构功能器件、半导体晶圆抛光、高端电子制造(芯片大马士革铜互连、超大规模集成电路封装和集成中的电子电镀)等产业发挥重要作用。


原标题:界面电化学:聚焦能源 前景可期

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