这位北大科学家，在三间小屋里描绘电池的未来
时间:2021-05-11 10:52 作者:综合报道
引言 不久前，北大官微正式推出全新栏目“不一样的科学家”，带读者“寻访”北大校园中的一间间“宝藏实验室”与它们的主人。 
实验室里“讲规矩”
只要进入实验室就必须佩戴全套护具，是郭少军多年前在美国进行研究时养成的习惯。
“一旦发生意外情况，在平时也许可有可无的护具，就会成为保护生命和健康的最后屏障。”
郭少军教授的实验室在一栋二层小楼里。3个大体排成“品”字形的房间，占据了这栋楼二层的一角。在相当于右下方那个“口”的实验室里，离心机、电炉和其它一些实验设备的电机，不断发出粗重的颤音，如同电池即将耗尽的录音机在播放磁带上的蜂鸣。空气中弥漫着高温烧结材料散发出的难以名状的气味。但没有人会否认，这似乎不太适合接待访客的处所，可能孕育着电池技术的未来。也许，某种性能卓越的燃料电池，或是新概念的二次电池，就会从这一片气味独特的嘈杂中诞生。
郭少军在实验室工作
而来到相当于左下方那个“口”的实验室，气味会稍好一些。一具硕大的手套箱占据了一角的空间。它的内部充满了氩气，想要将药品和试剂送到里面，需要经过两道气密闸门，就像离开宇宙飞船进行太空行走的宇航员，在穿好舱外航天服之后，还要穿过特制的气闸舱一样。电池研究中会用到锂、钠和钾等一些极为活泼的金属，而氩气环境的保护可以让它们不至于自燃或是爆炸，而是成为可以上手直接操作的实验材料。
郭少军在操作手套箱
来到实验室门前的时候，郭少军已经穿好了白色的实验服，戴上了防护手套；他坚持等待一名学生从另一个房间取来护目镜，而且两人各自戴好，方才把手伸进手套箱，开始当天下午的实验。只要进入实验室就必须佩戴全套护具，是他多年前在美国进行研究时养成的习惯。
2011年初，在中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位后，郭少军来到了美国布朗大学开展博士后研究。在这里，他重拾了自己在大学本科时就很感兴趣的材料化学。他的合作导师精通无机材料化学，而美国大学的实验室通常主要依靠科研项目来维持实验室的运作，因此，郭少军将研究方向调整为无机纳米催化材料领域，聚焦于实验室正在进行的催化剂项目。
“虽然好莱坞电影里的普通美国市民和美国大兵，常常会给人大大咧咧的印象。但实际上，在美国的高等学府和科研机构里，实验室的管理是非常严格的。”郭少军说，“比如说，只要进入实验室，就必须戴上护目镜，以及所有必要的护具。即使是并不上手操作的旁观者，比如来到实验室参观的新闻记者，也需要如此而为。这是因为，一旦发生意外情况，在平时也许可有可无的护具，就会成为保护生命和健康的最后屏障。”
严谨逻辑是科学的开端
郭少军实验室文化的另一部分，则源于他在博士研究生学习时的导师——中国科学院院士汪尔康。多年来的勤奋工作，赋予了先生极佳的逻辑深度，也使郭少军在求学和科研道路上获益匪浅。
“来自老科学家的言传身教，特别是专注于一个研究方向之后的不懈奋斗，成为我最大的收获，也是要传承给学生们的宝贵财富。”
郭少军在美国学到的，不仅有对安全防护规则的重视，也有严谨的科学逻辑。他回忆说，初到布朗大学的时候，他制作的学术演讲幻灯片（PPT）常常会被合作导师批评，因为在两页幻灯片之间有时候会出现逻辑上的硬伤，有时候页面不够图文并茂等等。这些细节上的不完美，便有可能使幻灯片陈述的内容缺乏说服力。事实上，美国高等研究机构一致非常重要系统严格精细的学术训练，比如论文的题目、摘要和前言应该如何行文，应当如何有效地陈述自己的学术观点等等。
 郭少军生活照
多年之后，这些学术训练都被郭少军吸收到自己的实验室之中。他要求学生们注重科学研究的每个细节，撰写论文的时候要展现出实验的全貌，用提升“工作显示度”且抓住重心描述的方式，展现出研究工作的科学意义，确保结果经得起推敲；而在解释研究结果的时候，又要将最通俗的语言建立在最严谨的科学逻辑之上。
严谨逻辑与自由讨论之间的平衡，也同样为郭少军所重视。当学生们在研究中遇到难题的时候，他通常会给出研究方向和细节上的指导；也有些时候，通过跟学生充满发散思维的讨论，则会找到更好的解决方案。还有些时候，他们会遇到百思不得其解的实验现象，每当遇到这种情况，郭少军便会建议学生们暂停下来，记录下这个问题，避免独自“钻牛角尖”这样的低效率行为。在参加业界学术会议时，通过与更多专业人士的广泛讨论交流，也许就获得了问题的解决思路。
 郭少军与学生
郭少军实验室文化的另一部分，则源于他在博士研究生学习时的导师——中国科学院院士汪尔康。汪尔康院士与夫人董绍俊院士（第三世界科学院院士），都是我国著名的分析化学家。两位先生对科学探索极为执着，而且崇尚终身学习。几十年如一日，两位先生每天都会工作大约14-15个小时，而且全年无休。有两次，他们因为在春节除夕夜加班工作得太晚，以至于被研究所安保人员误锁在楼里无法离开。
多年来的勤奋工作，赋予了两位先生极佳的逻辑深度，也使郭少军在求学和科研道路上获益匪浅。他回忆说，每次为科研难题与导师讨论的时候，他都能得到思路上的指引，而且往往能得到不止一个解决方案。来自两位老科学家的言传身教，特别是专注于一个研究方向之后的不懈奋斗，成为他最大的收获，也是要传承给学生们的宝贵财富。
“三驾马车”牵引着的未来电池
完成电化学反应的膜电极，是中国面临的“卡脖子”技术之一。正是打破“卡脖子”局面的宏愿，促使郭少军回国并且开始了自己的新能源电池研究计划。
在布朗大学完成博士后研究之后，郭少军又来到著名的洛斯·阿拉莫斯国家实验室工作。这座美国最大的国家实验室，曾是人类第一枚原子弹的诞生之地。郭少军则获得了以“原子弹之父”罗伯特·奥本海默命名的“奥本海默学者”称号，可以运用美方资助的科研经费，在实验室提供的设备和平台框架下，自行决定研究的领域和方向。
在这里，郭少军研究起新型半导体光电材料。而这段看似“跑题”的研究经历，却使他意外地得到了进一步探索光催化制氢的灵感与积累。
郭少军并不愿意花更多时间谈及他在美国的这些成功科研经历。因为氢燃料电池的几个主要模块，时至今日仍然是中国面临的“卡脖子”技术。而作为它的“心脏”，完成电化学反应的膜电极，便是“卡脖子”技术之一。在这个领域取得突破，无疑要比追溯往昔的成就更有吸引力。也正是打破“卡脖子”局面的宏愿，促使他回国并且开始了自己的新能源电池研究计划。
现代生活很大程度是建构在电池之上，比如锂电池，其为移动电话、笔记本电脑和其他一些电子设备提供电能，也为现在越来越流行的纯电动汽车所用。然而，锂电池能量密度急需提升，充电时间也需要加快。相比之下，氢燃料电池成为另一种可靠选择，它通过氢气和氧气的电化学反应来产生电能。不过，即使氢燃料电池大展宏图，锂电池也仍然大有用武之地。
由3间不起眼的小屋组成的“电池王国”，就代表着郭少军对电池技术发展趋势的看法。他和学生们主要致力于氢燃料电池领域的攻关，同时也在尝试研制新的锂电池材料，也研究介于传统锂电池和燃料电池之间的“锂-空气”电池，因为它们在未来世界都将各有用武之地。
郭少军在实验室工作
在手套箱的对面，安放着一个个像是服务器的电池测试仪，正测试着一枚枚CR2032型号的电池样品。这些电池与电子词典常用的纽扣电池很像，但其实只是外观相像，里面早已“脱胎换骨”，换上了实验室自行设计的原型“内核”。经过不断的设计和测试，更有应用前景的电池新材料便会脱颖而出。
两者之间的实验台上，除了光催化制绿氢的实验装置，还摆放着郭少军的学生们制作的原型“锂-空气”电池。前者是要为燃料电池寻找稳定的燃料供应，后者则是另辟蹊径的探索。在调料罐大小的装置内部，便是“锂-空气”电池的“核心”。它们以锂作为负极，以空气中的氧气作为正极反应物，所以需要使用阀门来控制进气量。负极的锂释放电子，而后会成为锂离子，穿过电池里的电解质材料，与正极的氧气结合生成过氧化锂。这个过程使“锂-空气”电池产生电能，能量密度远高于传统的锂离子电池。
攻克“卡脖子”，实现“碳中和”
绿水青山就是金山银山。
在2020年9月11日应邀参加了习近平总书记主持召开的科学家座谈会后，郭少军备受鼓舞。他的研究团队正在积极响应总书记“碳中和”发展战略，全力攻关燃料电池和氢能相关的卡脖子技术，希望能打破西方发达国家的技术封锁。
目前，中国通过使用锂电池驱动的纯电动汽车，实现了部分环境保护目标，但这还远远不够。纯电动汽车使用的电能往往来自化石燃料。另一方面，锂电池在全寿命周期中仍然会带来一定的污染。不可否认，锂电池在未来会有很大用武之地；但在交通工具新能源电池这一应用领域，使用氢参与电化学反应产生电能的燃料电池会在未来占据越来越大的比重。这是因为，制氢的能量来源可以是完全没有碳排放的风能或太阳能，制氢原料则可以是水。
特别是近年来，绿水青山就是金山银山的理念日益深入人心，总书记新近提出的“碳达峰”、“碳中和”理念，更释放出国家对新能源和环境保护领域的高度重视。在2020年9月11日应邀参加了习近平总书记主持召开的科学家座谈会后，郭少军更是备受鼓舞。他的研究团队正在积极响应总书记“碳中和”发展战略，全力攻关燃料电池和氢能相关的卡脖子技术，希望能打破西方发达国家的技术封锁。
郭少军解释说，他主要研究燃料电池和氢能的膜电极模块，目前缺乏自主产权的高性能膜电极长期制约我国燃料电池技术发展和产业化。而在膜电极模块中，催化剂又是核心中的核心，直接决定了燃料电池的综合性能。目前，最好的燃料电池催化剂体系是使用自然界中储量很少的铂（白金）。郭少军团队想要达成的终极目标，便是将每个车用燃料电池的铂用量，从目前的30～40克减少到5克。我们知道传统燃油车的尾气处理装置里，会使用5克铂催化剂。氢燃料电池汽车显然不需要处理尾气，所以，如果它的铂用量能减少到与燃油车持平的程度，便意味着它将会大展宏图，使人类收获清洁出行的未来。而郭少军团队正在进行的工作，将会加快我国在这个领域的发展步伐。
人物简介
郭少军，北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士、全球高被引学者、斯坦福大学全球顶尖科学家、爱思唯尔中国高被引学者。长期致力于将国家重大需求与基础研究相结合，重点研究燃料电池、氢能与储能电池。发展了高性能原子、亚纳米和纳米催化材料设计的思想，提出了材料应变调控催化的新方式，率先揭示了材料本征拉应变和双轴应变调控催化材料电子结构与催化性能的化学机制，研制出了系列新概念电/光催化材料，显著提升了燃料电池和氢能催化性能，解决了能源小分子反应动力学慢的关键难题，有力推动了材料、化学和能源的交叉与融合。荣获首届科学探索奖、中国青年科技奖、茅以升北京青年科技奖和中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖。
来源:北京大学 (责任编辑：子蕊) |
