○文/贾海琴
科技助力能源事业 创新成就科研未来
——记湖北省百人计划特聘专家、湖北大学物电学院特聘教授朱斌博士
○文/贾海琴
2015年2月2日,爱思唯尔(Elsevier)发布2014年中国(大陆地区)高被引学者榜单,其中湖北大学物电学院特聘教授、湖北省百人计划特聘专家朱斌入选该榜单中能源学术领域中国高被引学者名单。据了解,中国高被引学者榜单遴选标准是研究者作为第一作者和通讯作者发表论文的被引总次数在本学科所有中国(大陆地区)的研究者中处于顶尖水平,2014年该榜单分38个学术领域共遴选出1651名最具世界影响力的中国学者并呈现给学术界和公众。朱斌在能源学科排名前列。可见,朱斌教授在能源领域取得的成绩已经被世界权威机构认可,他为能源科技的发展做出的贡献也是不可忽视的。
进入21世纪以来,绿色能源、绿色产业等新兴词语不断涌现,燃料电池将是继火电、水电和核电之后的第四种可大规模生产的绿色电力技术。然而,以电解质材料为核心的传统氧化物燃料电池(SOFC)由于各部件间的兼容和匹配的复杂技术引起的科学问题和高造价严重阻碍了其市场化进程。对此,朱斌教授进行了20多年长期深入而细致的研究。
2010年,朱斌教授发明了无电解质燃料电池-单部件装置,该装置首次创造了不用电解质隔膜而只用一个功能材料的单部件来构造燃料电池,打破了传统SOFC需要阳极、阴极和电解质多种材料精确匹配的限制,大大降低了制造成本。其核心单部件是由掺杂氧化铈与金属半导体氧化物构成的新型半导体-离子功能材料,在燃料氢气或天然气作用下,在电池的燃料接触面形成n型导电区,在空气接触面形成p型导电区,得到类似于太阳能电池的p/n结,构成无电解质隔膜燃料电池实现发电。
该设计巧妙地利用了半导体结,例如肖特基结和p/n结的半导体能带结构和势垒,克服了燃料电池无电解质隔膜而造成短路的难题同时避免了燃料电池主要由电解质和电极(阳极和阴极)界面产生的功率损失。电池低温工作性能好,在500℃下输出功率密度达600毫瓦/平方厘米以上,远高于传统结构的离子电解质燃料电池。与现有的氧化物燃料电池相比,该电池具有以下突出优点:结构简单(为单一部件的器件可以用简单的机械制造;而传统燃料电池为阳极-电解质-阴极三部件组成的复杂电化学装置),容易实现;克服了传统SOFC各部件材料匹配技术复杂及热脆裂难题;电池重复性良好,制造工艺大大简化,成本低廉,为进一步发展具有市场竞争性的SOFC产品开辟了一条新的途径。该器件实现了SOFC低温、高性能、无陶瓷材料部件间的匹配难题,有望在交通电源、移动电源、动力电源(电动汽车)等领域获得广泛应用。据悉,该研究已申请多项美国和中国发明专利。
无电解质燃料电池是燃料电池170多年来发展历程中的革命性突破,它去除了燃料电池产业化的瓶颈;由于无电解质层,该电池是三合一单部件结构,把燃料电池的制造从复杂的电化学制造简化为简单的机械制造;该发明开创了新一代能源技术:联合燃料电池-太阳能电池原理的物理电化学器件;该电池的生产成本大幅降低,制作成本仅为传统固体氧化物燃料电池成本的1/10。该器件能极大地简化生产工艺、降低生产成本,有望突破固体氧化物燃料电池的商业化瓶颈。因此,该发明是高技术与低造价相结合的成果,为先进燃料电池的生产制造和产业化提供了巨大的商机。
朱斌教授在瑞典皇家工学院领导了先进燃料电池和太阳能电池研究组,自入选湖北省百人计划特聘专家,朱斌教授于2013年底在湖北大学组建实验室,建立了瑞典皇家工学院和湖北大学的联合研究团队。同年,他还入选南京321计划,并创立了高科技公司——南京蕴纳纳米科技有限公司。他领军中国新型燃料电池研究领域,带领团队开展了大量和深入的科学研究和技术攻关。结合科研实验和理论研究,将半导体材料、能带理论及技术引入到燃料电池的研究中,在世界别树一帜,引领着全球下一代燃料电池的发展。同时,他还提出和建立了新型燃料电池和太阳能电池概念:半导体离子材料、器件和技术;利用半导体能带的设计和技术进行燃料到电能转化;单部件无电解质或阳极-阴极-电解质“三合一”燃料电池;基于半导体结的新型燃料电池,如异质结燃料电池、肖特基结燃料电池、钙钛矿太阳能电池原理的燃料电池等。在此基础上,开拓了一个崭新的前沿领域——半导体离子材料和半导体离子学。由此而产生新的科学问题——半导体离子功能材料和器件及由此而形成的新一代能源转换科学和技术:燃料电池和太阳能电池新型交叉学科,半导体结型新一代高效燃料电池,以及新一代半导体物理和离子电化学结合的高效清洁能源技术。
最近,朱斌教授及其研究团队又结合先进的钙钛矿太阳能电池的科学原理,发展新一代高效能源技术,引进半导体能带设计,实现电荷有效分离,促进离子快速迁移和氧化-还原反应。实现了燃料到电能高效的转化,在550℃获得了超过1000mW/cm2的功率输出。该研究成果已在Nano Energy(《纳米能源》期刊)发表。这是首次关于太阳能电池原理为指导的燃料—电能高效转换技术的报道,有望为开展新型能源转换技术的研究提供新的理论和技术指导。
除了完成本职工作,朱斌教授一直主持欧盟-中国纳米复合先进燃料电池研究(NANOCOFC)网络(www.nanocofc.com),还兼任芬兰Aalto大学(前赫尔辛基技术大学)和中国科技大学客座教授,东南大学客座教授、天津大学客座教授、中国地质大学和燕山大学讲座教授等职,曾任国家教育部“春晖计划”清华大学春晖学者、哈尔滨工程大学教授、南洋理工大学访问教授、瑞典全球燃料电池公司首席技术执行官,以及瑞典皇家科学院(KVA)和瑞典皇家工程院(IVA)的燃料电池专家,欧盟、美国能源部、加拿大国家自然科学工程研究理事会和欧盟燃料电池等机构的国际评审专家,在纳米和燃料电池和能源领域做了数十次国际大会邀请报告,组织和参与组织国际学术会议,并担任国际氢能和国际能源研究杂志的客座编辑,出版了数个学术专辑。
朱斌教授先后在Adv.Mat.(SCI.影响因子17.49)、Adv.Func.Mat.(SCI.影响因子11.8)、Energy & Environmental Science(SCI.影响因子20.5)、Adv. Ener.Mat.(SCI.影响因子16.146)、Nano Energy. (SCI.影响因子10.325)、Nano Res(SCI.影响因子7.01)以及J.Mat.Chem.A、J.Power Sources、Sci. Report、Int. J.Hydrogen Energy、RSC Adv.、Electrochem.Commun.等著名国际期刊发表学术论文200多篇,被引用4200余次,H-因子35(Google Scholar),引领国际燃料电池发展的新方向。
千磨万击还坚劲,任尔东西南北风。而今,朱斌教授依然执着而坚韧的奋战在新型燃料电池科研第一线,面向产业化,带领团队为我国的绿色能源、清洁能源事业贡献着自己的一份力量。