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“研”之有“锂”甘之如饴——记青年学者梁宵的一天
作者:向鹏 发表时间:2019年08月26日

 

 

  素有“火炉”之称的湖南长沙,清晨伊始便暑气蒸腾。记者乘坐刚开通不久的地铁四号线穿过湘江,抵达岳麓山下,来到这座历史悠久又焕发着生机活力的千年学府——湖南大学。

  这里与市区只有一江之隔,依山傍湖,古树成荫,清风徐徐。清晨,行人和车辆在没有围墙的校园中有序穿行,学子们纷纷攘攘地从公寓涌入各大教学楼。

  新的一周开始了。

  与此同时,湖南大学化学化工学院教授、博导、34岁的青年学者梁宵也开启了紧张有序的一天。

  06:30

  “时间不是树上结出的果子”

  在早餐前进入工作状态是梁宵多年来形成的习惯。

  “这个时段短而清静,我一般用来收发邮件、刷各大平台推送的最新科研资讯,”梁宵说,“短资讯扫一眼就过了,长文发送到云端,下午或晚上再找时间集中处理。”

  “我常用的阅读器会追踪本学科内排名靠前的国内外期刊,通过设置的关键词推送相关文献到邮箱。根据重要程度,大部分推送过来的论文我都会看题目和图形摘要,有些论文我只看摘要,有些只读其中的图片,重要论文我会看完全文并发到群里和大家讨论。”

  “时间不是树上结出的果子。我们身边有很多磁场,会像吸走铁屑一样瞬间吸走我们的时间,”梁宵说,“尤其对于搞科研的人来说,每天妥善安排和管理好自己的时间是一种挑战。”

  鲁迅先生曾说:“巨大的建筑,总是一石一木叠起来的。”作为一名潜心科研的青年学者,梁宵的每一天,都从堆叠这一石一木开始。

  07:20

  “我有个科学家爸爸”

  一家三口吃过早餐,梁宵就带着儿子豆豆(化名)出门了。

  “只要不出差,每天早上我都送孩子去幼儿园”,梁宵笑着说,“如果时间允许,我也会接他放学”。虽然工作安排得非常紧凑,但梁宵会经常抽时间带孩子打球、游泳,“我最喜欢和爸爸拼积木!”“我爸爸是科学家!”豆豆在旁边开心地补充,“还有,妈妈不让吃冰激凌,但爸爸会给我买!”豆豆的童言趣语,勾勒出了一组相当和谐的父子“结盟”关系。

  “我还喜欢爸爸给我讲故事!我希望爸爸每天都能讲故事陪我睡觉,”豆豆说,“我最喜欢听爸爸讲金发小姑娘和三只熊的故事啦”!

  “这是我在加拿大读博后期间知道的一个童话故事,”梁宵说,“我觉得很有意思,当时刚好在研究锂硫电池中材料氧化还原电位与亲核吸附多硫化物间的关系,受到这个故事启发后,我在研究中获得了最优方案。所以我经常给儿子讲这个故事。”

  也许是受爸爸的影响,豆豆从小对电动玩具特别感兴趣,而且认为“没有电池的玩具不好玩”。豆豆也去过爸爸的实验室,对密密麻麻的测试电池、各种实验设备表现出极大的好奇心。

  当记者问及梁宵幼时是否接受过类似的科研启蒙时,梁宵回忆道:“上中学时,我偶然发现家里的5号电池在电量即将耗尽时,只要敲打几次就能继续用一段时间,当时觉得很神奇。后来在高中化学课上接触到有关原电池的知识才明白其中的道理。没想到,现在自己做的就是电池方面的研究。”

  【注释:西方童话《金发姑娘和三只熊》:一位金发小姑娘迷路后进入了熊爸爸、熊妈妈、熊宝宝一家三口的房子。她尝了三只碗里的粥,试了三把椅子,又在三张床上躺了躺,最后发现小碗里的粥最可口,小椅子坐着最舒服,小床上躺着最惬意,即熊宝宝的东西最适合她,不大不小刚刚好。金发小姑娘选择事物的原则就叫Goldilocks principle】

  08:00-09:40

  “一位有态度也有温度的老师”

  两年前,梁宵在加拿大滑铁卢大学完成了博士后研究,随后作为引进人才全职来到湖南大学工作,相继入选“国家青千”和“湖南省百人”人才计划。

  梁宵同时也是一枚“青椒”(网络名词,意为高校青年教师)。作为“青椒”,大学课堂是他在实验室以外的“第二战场”。备课、上课、批改作业、与学生互动……他在每个环节都投入了大量精力。

  今天来上课的是58位化学专业的大二学生,梁宵为他们讲授的是本科专业核心课《物理化学》。“90分钟的课,我一般要花一整天时间备课,包括查阅专业书籍、制作课件等等”,梁宵说,“学生们非常好学,为了上好这门课,我们还专门建了课程群,经常有学生在QQ上向我提问。简单的问题我会在QQ上解答,复杂或重要的问题,我会在下一个课时上专门讲解”。

  学生们很喜欢梁宵的课,“梁老师是一位有态度也有温度的老师”,一位大二学子在教务系统中提交了这样一句匿名评价。

  梁宵的专业和敬业也激发了这些学生们的学习热情和研究兴趣。《物理化学》这门课还没结课时,就有三位本科生请求梁宵作为导师指导他们进行长循环寿命锂离子电池硅碳负极的研究,目前已成功获得国家级SIT(大学生创新研究)项目的支持。

  10:00-12:00

  “一定要做原创性的基础工作”

  下课后,梁宵立即从教学楼回到实验室。

  对科研人员来讲,实验室既是长期蛰伏、蓄势储能的训练场,也是有朝一日厚积薄发、梦想起飞的平台。十多年来,在经历了国内外三所科研机构不同实验室的历练之后,梁宵实现了从学生到博导的身份转变。

  “我读博期间平均每天在实验室工作10小时。当时,我的导师温兆银教授是国内高温电池产业化的先驱,主要从事储能电池器件方面的应用研究,启发了我做钠硫电池、钠-氯化镍、锂硫电池等方面的探索,这也为我在博后期间的研究打下了重要基础。”

  从中科院上海硅酸盐研究所博士毕业后,梁宵赴加拿大滑铁卢大学继续从事博士后研究,他的导师是储能领域的著名科学家Linda F.Nazar教授。Linda是业内公认的工作狂、铁娘子,2014~2019年连续入选为汤森路透高引作者,被誉为“电池领域的女中豪杰”。

  “Linda教授把绝大部分精力都投入到科研中,她对工作极其认真、且追求卓越”,梁宵说,“导师的这种精神和态度对我影响非常大,博后期间我平均每天在实验室工作12小时左右”。

  梁宵在博后期间做出了一系列有创新意义和应用价值的研究。他从基础化学入手,通过理解多硫化物与载硫材料间的作用方式,揭示了界面性能对电化学行为的调控规律,为载硫材料的研究提供了指引,并研发出循环次数可达2000次的锂硫电池,被国外权威科技媒体认为是“新一代车载电池领域的重大突破”(Science daily, Science Newsline,Phys.org等,标题:Chemist one step closer to an new generation of electric car battery)。

  在锂电池研究领域,金属锂作为负极在实际应用中存在各种问题,如界面副反应、锂枝晶的生成等。枝晶生成会加速与电解液的副反应,进一步促进死锂的生成,严重阻碍了其在电池中的应用。2017年,梁宵运用表面合金 化策略,在金属锂表面构筑了富锂合金保护层,同时解决了界面稳定性和枝晶沉积问题。这项成果发表在Nature Energy(2017,2,17119)上,成为高被引和热点论文,Nature Review Materials的主编Alison Stoddart博士盛赞其“从根本上解决了锂负极的枝晶问题。”

  到湖南大学工作以后,在学校和学院的支持下,梁宵组建了拥有全套锂硫电池和锂离子电池电极材料制备、电池组装、分析测试相关设备的实验室。“既有动力也有压力”,梁宵坦言,“现在每天工作14小时左右,基本上每晚十点以后才离开实验室。”

  “我的博导温兆银教授擅长应用研究,一直要求我们做‘有用的东西’、‘实用的东西’;博士后导师Linda教授则特别注重基础理论研究,”梁宵介绍道。经过两位导师不同方向的引导和同样严格的训练,梁宵形成了自己的科研风格,他坚持做有独创性的选题,认为自己和团队的研究既能发掘科学问题,又要贴近实际应用,“一定要做具有原创性的基础工作。”

  14:30-17:00

  “就像头脑风暴一样过瘾”

  目前,梁宵实验室有近10名硕士与博士在读,一周一次的组会是这个小团队的重要交流形式。

  这一周的组会又开始了。学生们围坐在一起,逐个陈述一周以来各自的研究进展。通过交流,大家往往能收获很多不错的见解或意外的思路,“就像头脑风暴一样过瘾”,研二学生邹一平说,“大家平时都专攻各自的选题,对其他方向的内容缺乏了解,定期召开组会有利于帮助我们拓宽知识领域,打开研究思路”。

  随后,梁宵照例带大家一起学习电池领域最新发表的学术论文,今天重点精读的是最近发表在J.Electrochem.Soc.上的一篇论文,探讨的是锂硫电池电解液用量对电池自放电行为的影响。“电解液用量会显著影响多硫化物与金属锂的界面SEI生长行为(即固体电解质界面膜),在低电解液用量时有利于生成致密的SEI层,因此电池自放电行为有所减缓,”梁宵在白板上一边画示意图一边给大家解释,“希望大家在设计实验方案时充分考虑到这一点。”

  下午五点,组会接近尾声。针对这次组会的讨论主题,梁宵照例做了总结:“虽然锂硫电池的研发时间很长,但离实用化还有差距。目前采用化学法吸附多硫化物、金属锂枝晶抑制等策略确实能起到一定效果,但无法彻底解决锂硫电池的工程性问题——即高电解液用量。大家在未来的研究工作中应该将穿梭效应、界面副反应这两个关键问题通过电解液研究串起来,为开发实用型锂硫电池提供有价值的研究成果”。

  18:30-20:30

  “成功学不是幸福学”

  每个星期一晚上,梁宵都组织学生们一起打羽毛球。

  “我们实验室每次订两个场地,运动两个小时,”梁宵说,“和组会一样,这是我们的固定团建活动”。

  梁宵是80后,他的硕士、博士都是90后,师生之间年纪相差不大。他常对学生说:“大家要努力工作,更要努力平衡好成功和幸福之间的关系,成功学不等于幸福学,人的本质还是为了追求幸福。保持好状态、好心态,才能好好学习和工作。”

  对于每周打一次羽毛球的团队“福利”,梁宵的学生们表示很开心,“学校的羽毛球场地特别‘火’,我们实验室每个人都在手机上装了场地预约app,大家提前一天同时在app上‘抢’场地,确保第二天的活动能正常进行”。

  “周星性格开朗热情,是运动达人,”梁宵指着球场上的一位高个子男生介绍道,“他是我们实验室的‘羽毛球教练’,会帮大家纠正错误姿势。虽说组里多数人都是初学者,但至少都在用规范的姿势打球”。

  “在球场和在实验室一样,都讲究团队合作”,梁宵说,“我希望从这间实验室走出去的每个学生,既有独立思考能力和动手能力,也有良好的团队合作精神”。

  21:00-23:00

  “不解决问题,就会成为问题”

  打完羽毛球,梁宵立即回到办公室。“今天还有很多工作没有完成”,梁宵一边打开电脑一边说,“平时吃过晚饭我就会来办公室继续工作。白天要处理很多杂事,很难有完整时间段去集中精力思考问题。所以我一般在晚上阅读、写作、考虑实验方案。”通常,梁宵会先将手机调至静音,然后开始专心工作。这个时间段也是梁宵的“高产时段”。

  2014年的一个晚上,梁宵像往常一样点开导师Linda教授发来的邮件,其中一篇介绍新型材料MXene的文章引起了他的注意。MXene是一种二维材料,是美国德雷赛尔大学Y.Gogotsi教授当时的最新研究成果,这种材料表面活性高、电子导电性好,其导电性可以与采用溶液法制备的石墨烯相媲美。

  联想到锂硫电池导电性差、多硫化物穿梭效应难以解决等问题,梁宵马上着手将MXene材料应用到锂硫电池的研究中。MXene材料的表面金属原子缺电子特性为多硫化物提供路易斯酸碱吸附位点,有效缓解了穿梭效应(Angew. Chem.2015,13,3907,高被引和热点文章);他将碳纳米管插入MXene层间,提高了其三维导电性,实现了硫面密度为5.5mg/cm2时电池的稳定运行(Adv.Mater.2017,29,1603040,高被引文章),并申请了发明专利;悉尼科技大学Guoxiu Wang教授评价MXene是锂硫电池最有效的载硫材料(the most promising material for Li-S battery,Adv.Energy Mater.2018,8,1702607);梁宵受邀在Nature Energy(2016,1,16132,高被引和热点文章)上撰写了锂硫电池综述。

  更有意思的是,梁宵的这项成果引起了MXene材料的发明者——材料学领域的国际权威、美国德雷塞尔大学Y.Gogotsi教授的关注,Y.Gogotsi教授在编撰《2D Metal Carbides and Nitrides(MXenes):Structure, Properties, and Applications》(《二维金属碳化物、氮化物(MXene):结构、性能和应用》)一书时,专门邀请梁宵撰写了“MXene材料在锂硫电池中的应用”这一章节。

  机会总是留给有准备的人,能促成MXene材料和锂硫电池的“联姻”并非歪打正着。“不解决问题,就会成为问题”,这是梁宵常挂在嘴边的一句话。在对锂硫电池的长期研究中,梁宵始终高度关注存在的问题及内部成因,并一直寻找性能合适的材料去解决相关问题。而MXene材料的出现,无疑为他的研究创造了一个契机。

  今年,梁宵带领团队在锂硫电池的电解液研究方面取得了新进展,开发出了一种完全不溶多硫化物且对金属锂稳定的新型电解液,实现了锂硫电池在低电解液用量条件下的稳定循环;此外,他们也在研究锌-卤素水系电池,希望能通过巧妙设计卤素在电池中的氧化还原路径,以期提高电池能量密度和循环可逆性。

  深夜十一点多,梁宵终于结束了一天的工作,走出实验室。

  夜晚的校园裹挟着潮湿的泥土气息,此起彼伏的虫鸣声从各个方向涌来。这是个晴朗的夏夜,星宇满天,凉风习习。“我喜欢这个地方,”梁宵深深地吸了一口气,“也很享受这种紧张工作一天后大脑短暂放空的感觉”。

  对于科研人员来说,高强度、快节奏的工作是家常便饭。“别说996,就连711(早7点到晚11点、每周工作7天)都很常见,”梁宵坦言,“应该说‘压力山大’,但也甘之如饴。储能电池研究要面向市场需求,希望我的研究能在这项变革性技术创新中发挥更多、更重要的作用”。

  人物简介

  梁宵,湖南大学化学化工学院教授,博士生导师,国家青年千人计划、湖南省百人计划获得者。2012年博士毕业于中科院上海酸盐研究所,2013年在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究,2017年10月加入湖南大学化学化工学院。近年来共发表学术论文26篇,其中第一作者/通讯作者在Nature Energy(2篇),Nature Commun.,Angew. Chem.Int.Ed.,Adv.Mater.,Adv. Energy Mater.,ACS Nano等论文15篇。论文被引用5000余次,共有14篇论文入选ESI高被引文章(其中12篇为第一作者),且有4篇论文被评为热点文章。获中国发明专利4项(已授权),申请国际发明专利4项。

  研究兴趣:围绕储能电池的基础科学问题,重点开展纳米尺度上电极/电解液界面电化学过程分析及电极反应机理研究,致力于认知微观界面结构与宏观电化学性能关联性,进而从原子、分子水平设计构筑功能型电极材料与界面,并实现高效储能电池系统的长续航。

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