“小界面”撬动“大能量”

——记自然科学基金创新研究群体项目“界面电化学”

本报记者 甘晓

在一个电池中，作为电极的固体与作为电解质的液体交界的地方，会发生奇妙的变化。这里被称为“界面”，通常只有不到20纳米厚，但它的结构和性质足以对电池的效率和寿命产生颠覆性影响。

自2011年起，中国科学院院士、厦门大学化学化工学院教授孙世刚作为学术带头人，在连续3期国家自然科学基金创新研究群体项目（以下简称创新群体项目）支持下，围绕“界面电化学”开展深入研究。过去9年里，他们从基础科学问题出发，将原始创新的链条延长到产业应用中，让“小界面”撬动起“大能量”。

聚焦！从基础到应用

“界面电化学”创新群体项目始于2011年1月。基于厦门大学在电化学领域的深厚积累，孙世刚带领该校科研人员获得首期资助，于2013年12月顺利结题并通过国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）的考核，批准给予第一次延续资助。

2014年1月至2016年12月，第二期项目结题后，该项目又通过自然科学基金委遴选、择优给予第二次延续资助。在2019年11月召开的创新群体项目结题审查会议上，“界面电化学”获得全体评审专家的一致认可，以优秀的成绩顺利通过验收。

得益于我国电化学奠基人之一田昭武先生对基础研究应贡献于社会的倡导，创新群体项目成员长期重视应用研究，已产生了大量基础和应用性成果。因此，孙世刚总结道，在“3+3+3”的创新群体项目中，研究人员从界面电化学的基础科学问题出发，越来越聚焦国家的重大需求。“我们第一期研究内容把所有的界面过程都囊括进来了，第二期内容则重在拓展新体系，更加关注基本方法和理论的动态发展。”

“到了第三期以后，大家就在商量，怎么能找到突破点，怎么把大家力量结合起来，真正解决一些重要的科学问题，能够对国家的需求作出一些贡献。”孙世刚说。

在这一共识下，科研人员将新一期项目聚焦至能源领域。为让基础研究成果真正面向应用，在第二期后期，赵金保被引进至创新群体项目中。曾在锂电池生产企业长期从事研发工作的经历，使他对基础研究的理解有着很强的应用导向。几年来，他带领课题组在国内率先成功研发第一代陶瓷功能隔膜和第二代具有多级温度响应功能的高安全性陶瓷隔膜，已经实现产业化，创造了20多亿元的产值。

赵金保介绍，目前具有自主知识产权的第三代高安全性功能隔膜，利用了独创的耐高温超薄层立体再修饰技术，大幅提高了电池安全性。

孙世刚指出：“这9年3期项目的发展过程，不是仅仅围绕一个科学目标去发散，而是充分体现了在认识科学问题方面的不断深化，大家做了很大的努力，从基础研究做到了实际应用。”

利器！方法学收获丰厚

电化学对于界面的关注，已经不是新闻。“界面发生的最重要过程就是电子转移，也就是氧化还原反应。”孙世刚告诉《中国科学报》，“物质到达界面，发生电子转移后变成其他物质再离开。”

要为燃料电池、高能二次电池及钙钛矿太阳能电池等领域面临的实际问题寻找切实可行的解决方案，就必须通过更先进的原位表征技术，“看清”界面原子结构变化和分子反应等动态过程。

为此，创新群体项目成员廖洪钢设计、研制出液体芯片反应池，发展了“电化学原位超高分辨透射电子显微镜”，实现了原子/分子尺度实时微结构可视化的观测和实时物质元素价态变化的监测；任斌在国际上首次发展出电化学针尖增强拉曼光谱技术（EC-TERS），将检测灵敏度进一步提高5~6个数量级；杨勇开发的“高空间分辨电化学原位固体核磁共振技术”，在高比能二次锂电池关键材料储能机理、电极反应规律及电极反应动力学研究上有着重要应用。

有了这些“利器”，科学家在界面表征上收获丰厚。例如，在高空间分辨固气和固液界面表征方面，任斌课题组利用电化学针尖增强拉曼光谱技术，完成了双金属模型催化剂纳米尺度空间分辨的电子性质研究，有望发展为原位表征催化剂表面结构及反应过程与机理的新工具。在固液界面动态表征方面，廖洪钢课题组则利用高时/空分辨原位透射电镜方法，首次观察到固液界面新奇的动态吸附层结构。

在孙世刚看来，探索方法学实际上是一件非常辛苦的事。“要花很多精力，投入很大。”他说，“创新群体项目支持我们从源头上基于科学认识创新方法，发展出更先进的仪器设备帮助我们认识更多的新现象，又反过来促进了我们对界面本质和科学问题的深入理解。”

合作！优势互补相融相长

乐于合作的文化氛围，是创新群体项目的一个特色。用创新群体项目成员、中国科学院院士田中群的话说叫做“合为贵”。田中群和孙世刚是在厦门大学读本科时住在同一个宿舍的同学，多年的深厚友谊让他们成为科研上的好伙伴。

“强调合作为贵，互相补台而不是互相拆台。”孙世刚指出。在创新群体项目支持下，厦门大学化学化工学院电化学学科的10多位教授发挥各自的强项，联手共同解决关键科学问题。

赵金保看来，创新群体项目为开展相关领域前沿科学研究提供了良好平台，把从事不同方向工作的科学家凝聚在一起，完成思想火花碰撞。

例如，擅长扫描微探针表征技术的毛秉伟与擅长能源电化学基础的董全峰紧密合作，用一种非传统的电化学方法，实现对碱金属表面的电化学抛光和固态电解质界面（SEI）的原位成膜，不仅获得了大范围平整的金属表面，而且构筑了均匀光滑的SEI膜。“我相信这项研究能够解决产业界的一些实际问题。”赵金保告诉《中国科学报》。

到第三期创新群体项目结题答辩时，孙世刚看到团队乐于合作的氛围在年轻一代研究人员中越来越浓厚。“我很高兴，这个创新群体项目结束以后，不仅在厦门大学内部形成了协作攻关的氛围，而且与外面学校的课题组也形成了交叉合作，希望大家团结起来共同解决科学难题。”

《中国科学报》 (2020-05-25 第2版 自然科学基金)

界面电化学：聚焦能源 前景可期

《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。

《中国科学报》 (2020-05-25 第2版 自然科学基金)