做材料科学的“颠覆式创新”带头人

2019-10-28 18:51:12 来源: 网络

——访中国科学院深圳高级研究所研究员余雪峰

石墨烯作为二维材料的代表,“颠覆”了世界对物理和电子的理解,显示出许多优异的物理和化学性质和广阔的应用前景。它被称为21世纪的超级材料。2014年,二维材料领域发生了一件大事——黑磷的出现。它在光学和电学方面的优越功能及其在催化、能源、医学等领域的广阔应用前景已经引起了研究者和工业界的关注。

2014年,对于中国科学院深圳高级技术研究所(以下简称中国科学院深圳高级研究所)的研究员余雪峰来说,一个“大事件”也发生了——37岁的他,放弃了大学的教学职位和相对稳定的生活,毅然南下深圳学习黑磷。

经过五年的努力,余雪峰从一个人和几个借来的实验仪器发展成为一个拥有70多名成员和数千万科研设备的研究中心。他在黑磷制备和应用技术方面取得了一系列突破,发表了50多篇高水平论文,申请了60多项黑磷发明专利,成为该领域专利分布全球最大的研究团队,谱写了从科研到“工业为国服务”的精彩篇章。

五年探索实现大规模制备技术

磷资源在工业中起着重要的作用。然而,各种磷化产品的附加值长期以来一直很低。"目前,整个磷工业以有机磷为主,无机磷还没有得到很好的发展."余雪峰表示,黑磷作为最稳定的元素磷和最薄的直接带隙半导体,一方面具有许多光学、电学和生化性质,在光电器件、电池、催化、医药等领域具有良好的应用价值。另一方面,黑磷的出现也能激励人们开展无机磷功能材料的开发,使磷在未来成为像碳一样的工业体系的核心材料。

然而,白磷易燃、易爆且剧毒,限制了磷工业的地理位置,许多下游工业必须位于矿山附近。如何解决磷的稳定性已成为亟待解决的关键问题。2015年,余雪峰与香港城市大学朱郝建教授合作制备黑色磷腈和黑色磷腈量子点。随后几年,该团队开发了一系列界面控制技术,实现了黑磷的稳定性增强和功能拓展,为黑磷的大规模制备和应用奠定了基础。

“今年的具体进展是利用黑磷的化学活性开发新的催化剂,如铂磷和钯磷。铂是燃料电池和许多工业催化的核心材料。黑磷可以快速有效地调节铂的电子结构,从而大大提高铂的催化活性,而且成本只增加了一点点。”余雪峰告诉记者,这是一种非常好的工业产品,我们正依靠合作企业进行相关的工业试验,预计很快会实现工业推广。此外,该团队还在黑磷的生物活性和医学应用方面取得了良好进展。

颠覆性创新改变了材料工业的现状

中国磷矿储量居世界第二。由于磷基功能材料的大部分核心技术以前都被国外掌握,中国曾经出口低附加值的磷矿,进口高附加值的磷基功能材料。白磷的价格约为每吨1万元,红磷为每吨3万元,黑磷远远高于前两种。在这种背景下,黑磷有望成为整个磷工业的重要新支点。

“不仅磷工业面临这样一个问题,而且我国的材料工业也普遍存在这个问题。目前,大多数高端功能材料仍需进口。”余雪峰认为,磷是一种重要的战略稀缺资源,尤其是在当前日益激烈的国际竞争和科技限制的形式下。从国家需求的角度来看,应加强这种材料基础技术的创新。

在余雪峰看来,要解决“瓶颈”问题,研究人员还应该规划未来,开发一些新的颠覆性技术。

事实上,余雪峰2014年第一次开始研究黑磷时,整个领域只有几篇论文,现在一年有1000多篇论文。我国与世界上其他国家一样,基本上是在这个领域起步的。由于很早就意识到这将是一项很好的技术,该团队具有先发优势,并取得了快速进展。目前,该技术已经通过了从红磷到黑磷大规模制备的技术路线,可以大大降低成本,预计在2-3年内实现生产。

“虽然黑磷是一种越来越热的材料,但它仍处于行业的早期阶段。我们仍然必须保持冷静的心态,坚定不移地朝着一个方向继续努力。”余雪峰说,我们要做的是尽快开发黑磷的制备和应用技术。一方面,我们可以真正实现工业化准备;另一方面,我们可以真正开发工业产品,在国际竞争中获得领先地位。

以应用为目标做一名“全面”的科学家

从基础研究到应用研究,再到工业化,对一个前纯粹的科研工作者来说也是一个巨大的挑战。它不仅需要一条新的研究道路,还需要重新定义科学研究者所需的能力。

对于余雪峰的团队来说,论文的传递是与科学同行的交流,而不是研究团队的唯一工作。“国家给了我们财政支持。我们希望做的事情能够回馈行业,成为行业认可的技术和产品,”余雪峰经常鼓励团队成员。“材料科学最初是应用科学。我们应该把我们的目标从论文变成有用的技术。”

中国科学院深圳高级研究所拥有良好的“产学研”生态系统,符合国际标准的首席科学家负责制和科技成果转化激励机制等科研体系也为他提供了广阔的发挥作用的空间。2016年6月,在中国科学院深圳高级研究所举办的黑磷成果对接会上,团队与相关企业进行了接触。2016年8月,中国科学院深圳高级研究所与湖北兴发集团共同投资成立中化磷科技有限公司,余雪峰团队的黑磷制备技术由此实现了两年2500万元的产业转移。

今天,忙碌仍然是余雪峰工作和生活的主题。对他来说,实现工业化是一件非常累人的事情。他不仅需要专业知识,还需要与下游企业、投资机构、政府部门等各界人士打交道,不断学习新知识。然而,他更加充满希望和活力。

“更乐观的是,目前企业的概念也在发生变化,技术创新和产学研合作得到更多鼓励。我们的科研人员也应该共同转变观念,更多地与企业互动,成为国家技术创新的动力,占据科学的制高点,同时面向产业和服务业,支持国民经济的高质量发展。”余雪峰说道。(光明日报全媒体记者党文婷)


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