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李永舫:朝聚合物太阳电池实用化目标稳步前进
作者:闫佳 发表时间:2019年08月26日

  一年一度的国家科技奖励大会,自设立伊始便成为中国科学界每年最受瞩目的焦点。在2019年年初举行的“2018年度国家科技奖励大会”上,中国科学院化学研究所(简称中科院化学所)的项目“带共轭侧链的聚合物给体和茚双加成富勒烯受体光伏材料”一举荣获国家自然科学二等奖。

 

  不久后的北京市科学技术奖励大会上,中科院化学所参与的“胶体量子点的可控合成和高品质LED应用研究”又荣获了二等奖。

  获得这两项殊荣的科研完成人名单上,都闪耀着同样的一个名字:李永舫。作为两个项目的第一完成人,年逾古稀的中国科学院院士、中科院化学所研究员李永舫,仍然奋斗在科研工作的第一线,以严谨的态度和不懈的努力为自己的科研人生续写着辉煌。

  “生不逢时”的一代

  1948年8月,李永舫出生于重庆。没过多久,年幼的他随父母先后移居至杭州与合肥。四岁那年,一家人回到老家河南省睢县河堤乡丁庄村定居。1966年夏天,在河南省商丘一高就读即将高中毕业的李永舫被要求“停课闹革命”,随着文化大革命的开始,当年大学已经停止招生。第二年他只好选择回乡务农,并于1970年回到睢县农业局微生物农药厂当了一名临时合同工。1977年12月,29岁的李永舫在河南省睢县参加了文革结束后恢复的第一次高考。

  如今站在古稀之年,回望自己的成长经历,他感慨地对记者说:“我们这一代人,就是‘生不逢时’的一代。”

  细细想来,也确实如他所言——李永舫出生在解放战争时期的1948年,10至15岁正长身体时,处于我国三年自然灾害的苦难时期挨过饿;1966年,他18岁高中毕业正处于渴求知识的年纪却失了学,1977年恢复高考时看到了机会,但在录取分数上受到严格限制。当年河南省“老三届”考生的录取分数线比年轻考生高100分,而那一年高考满分只有400分,导致只有极少数考试成绩特别突出的“老三届”才能考上重点大学。

  《年轮》是知名作家梁晓声的一部具有较大影响力的小说,描写了六位共和国同龄人与祖国共同走过的30年人生道路。其中,关于该小说的一段推介文字让李永舫感同身受:“二十世纪六十年代的自然灾害,使当时正上小学的他们过早地尝到了生活的艰辛。轰轰烈烈的文化大革命,使他们激扬过也失落过……。当改革大潮席卷大地的时候,他们人生最美好的时光已过去。但是,他们凭着坚强的意志,顽强地与命运抗争……。刻划出共和国同龄人的年轮。”

  “我考入大学时已年近30,比现在许多硕士毕业生的年龄还要大。工作之后虽然遇上各种人才政策,但也都因为年龄成了‘被忽略的一代’,比如1994年设立国家杰出青年基金时我刚过45岁的年龄上限。而正要出成果时,又到了快退休的年纪。”李永舫说。

  天道酬勤的科研人生

  在看似无力对抗的历史洪流中,有些人会选择随波逐流,而有些人却奋力拼搏努力改变命运。而李永舫,便是后者。

  1978年3月25日的《河南日报》刊登了一篇名为《向人民交红卷》的报道,其中的主人公便是李永舫。文中提到:“1966届高中毕业生,睢县微生物试验站化验员李永舫,在去年高招考试中取得了优异成绩,四门总分350多分,其中数学99分,理化94分……在迎接高考的一个多月里,他每天三点钟起床,在不耽误工作的情况下,每天坚持四个小时的复习时间,把中学阶段的数学、理化知识全部复习一遍,从而取得了高招考试的优异成绩。”

  “人生最靠得住的是自己,无需求人而通向成功之路的捷径是努力”。李永舫努力抓住了人生征途中几次重要机会,“一是在1977年参加高考,二是在1979年提前报考研究生”。

  1978年2月,李永舫以优秀的成绩考入华东化工学院(现华东理工大学)抗菌素专业(现生物工程专业)学习。在校学习一年半之后,1979年他又提前考入该校化学专业攻读硕士研究生。河南日报再次于1980年1月15日刊登一篇《他又为人民交红卷》的文章,大力赞扬了李永舫在大学里刻苦学习的精神,并报道了他提前考上研究生的好消息。

  1983年,李永舫考入复旦大学化学系继续攻读博士,师从吴浩青先生。1986年初,李永舫顺利通过了博士学位论文答辩,并被复旦大学留校工作,但他选择来到中科院化学所跟随钱人元先生进行导电聚合物电化学领域的博士后研究,并于1988年出站后留在化学所工作,继续开展导电聚合物电化学的研究。

  李永舫告诉记者,自己在读博期间的成果“锂电池电极反应机理-电化学嵌入反应的研究”获得了1987年国家教委科技进步二等奖(排名第二,排名第一为吴浩青院士)。

  谈及当前在校大学生们的学习,目前担任中国科学院大学本科教学工作的李永舫认为:“我们需要把精力百分之百地用到学习、科研和教学上,在当今的信息时代少玩手机,不玩电子游戏,不看与学习和科研不相关的网络信息和手机微信。‘天道酬勤’是我最喜欢的古训。”

  天道酬勤,这也是李永舫能在科研道路上不断获得成功与突破的最关键原因。

  从1997年起,李永舫的研究方向逐渐转向共轭聚合物光电子材料和器件方面,包括聚合物发光二极管和聚合物发光电化学池。2000年之后,他又带领团队将研究重点集中到聚合物太阳电池光伏材料和器件,涉及到半导体纳米粒子(量子点)的溶液合成以及有机/无机杂化太阳电池和量子点发光二极管等。在新的研究领域,李永舫也取得了累累硕果,并于2013年当选为中国科学院院士。

  在项目奖项方面,1993年他承担的“导电聚吡咯的研究”获中国科学院自然科学一等奖,1995年获国家自然科学二等奖(排名第二,排名第一为钱人元先生);“电聚合物电化学和聚合物发光电化学池的研究”获2005年度北京市科学技术奖一等奖;“带共轭侧链的聚合物给体和茚双加成富勒烯受体光伏材料”获2018年度国家自然科学二等奖;“胶体量子点的可控合成和高品质LED的应用研究”获2018年度北京市科学技术奖二等奖。

  在高效光伏材料领域取得创造性成果

  对于获得2018年度国家自然科学二等奖的“带共轭侧链的聚合物给体和茚双加成富勒烯受体光伏材料”项目,李永舫向记者做了重点介绍。

  他指出,聚合物太阳电池具有器件结构简单、重量轻和可制备成柔性和半透明器件等突出优点,是具有重要应用前景的清洁可再生能源。而他们的项目针对聚合物太阳电池中的关键光伏材料——共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体光伏材料进行了系统深入地研究,取得了一系列重要的、具有创造性研究成果。

  该项目在国际上首次提出通过共轭侧链拓宽吸收和提高空穴迁移率的分子设计思想,设计合成了宽吸收的二维共轭聚噻吩给体光伏材料;首次将噻吩共轭侧链引入到苯并二噻吩(BDT)结构单元上,合成了一系列基于带噻吩共轭侧链BDT单元的二维共轭聚合物,并率先报道了茚双加成C60衍生物ICBA受体光伏材料。

  李永舫强调道:“项目提出的高效光伏材料的分子设计理念对于新材料设计具有重要指导意义。”他与团队的研究成果对聚合物太阳电池的研究起到了重要推动作用,所发表的8篇代表性论文包括Acc.Chem.Res.(1篇)、J.Am.Chem.Soc.(2篇)、Angew.Chem.Int.Ed.(1篇)、Adv.Mater.(2篇)、Energy Environ.Sci.(1篇)、Adv.Funct.Mater.(1篇)。这8篇论文已被SCI他引4427次,单篇最高他引1338次。

  作为项目主要完成人,李永舫在相关国内外学术会议上作大会报告和邀请报告100多次。2012年在美国召开的IUPAC世界高分子大会上有关二维共轭聚合物给体光伏材料的邀请报告获得美国化学会高分子学术报告奖,显示了该项目研究成果在国际上的重要影响。

  他表示,该项目发展的BDT上带噻吩共轭侧链的给体结构单元,最近在构筑用于非富勒烯聚合物太阳电池高效D-A共聚物给体光伏材料中也发挥了重要作用,成为了高效聚合物给体光伏材料的最重要给体结构单元。

  “聚合物太阳电池实验室小面积器件的能量转换效率已经突破12%,达到了可以向实际应用发展的门槛。要实现聚合物太阳电池的实际应用,就需要开展提高稳定性以及降低材料和器件成本的研究。”

  李永舫进一步指出,该项目的研究主要聚焦在提高器件的光电能量转换效率上,未涉及材料和器件稳定性和寿命的研究。“我们团队最近几年仍然在继续开展高效二维共轭聚合物给体和n-型有机半导体受体(非富勒烯受体)光伏材料的设计和合成方面的研究工作,并且在着手开展相关光伏材料的稳定性、大面积聚合物太阳电池制备和工作寿命等方面的研究,正在向着聚合物太阳电池的实用化目标稳步向前推进。”

  快乐科研快乐生活

  “我走过的这七十年,经历了不少艰难困苦的岁月,有幼年的飘泊和动荡、三年困难时期的挨饿和艰辛、文革的动乱和失去读大学机会的痛苦、农村重体力劳动的劳累、家庭责任的重担、也有研究工作中的挫折和申请科研经费的艰难。回首往事,不禁感到心酸。不过,人生苦乐相伴,有苦也有甜。我也有在乡下和小伙伴一起玩耍的愉快、上学时获得新知识的好奇和高兴、挨饿时吃顿饱饭的满足、酷暑烈日下劳动后树荫下的凉爽、恢复高考后重获读大学机会的兴奋、研究工作取得进展和申请科研项目获得批准的喜悦、以及科研获奖登台领奖的光荣。”李永舫说。

  不管身处何种环境,他始终记得莎士比亚的一句名言:“即使我深陷果壳之中,仍自以为是无限宇宙之王”。

  这种乐观与对人生、科研的热爱,支撑着他从河南的小乡村走到上海,来到北京,直到奔向更宽阔的国际科研舞台。

  他认为,“热爱是最好的老师”,“无论做什么工作,热爱是成功的先决条件。作为学生,应该热爱自己所学的课程;作为研究生,应该热爱自己的研究方向;作为教师,应该热爱自己的教学和科研工作”。

  有了热爱,自然也离不开“用心”。勤动脑筋、用心做事,无论做什么事情都需要有一个清晰的思路,是李永舫始终秉持的观点。

  “在教学和课程学习中,应该抓住知识的要领,做到融会贯通、举一反三。在科研中应该了解所研究领域的最新进展,分析存在的关键科学问题,根据自己的知识背景以及所在实验室的研究条件,确定自己要主攻和解决的关键科学问题以及解决问题的途径。”

  在他看来,人生最靠得住的是自己,无需求人而通向成功之路的捷径是“努力”。同时,一定要认真为人、认真科研。在为人方面要言必信、行必果,多替别人着想;待人以诚,多替别人着想。心胸宽、不计较,这是赢得朋友、同事和领导尊重和重视的前提。

  李永舫总结道:“如教学方面应该认真备课,认真授课;学习方面要认真听课,认真做作业;科研方面要认真观察实验现象,认真做好实验记录,认真总结研究结果,认真撰写研究论文。热爱+用心+努力+认真,才能引导我们走向成功。”

  以“顺其自然、抓住机会、致力科研、乐在其中”作为座右铭的李永舫,信奉“一分为二”的辩证观,任何事情都有好的一面,也有不好的一面。因此,任何事情不必强求,应顺其自然。

  但他强调,“顺其自然”不是没有追求,而是一种心态。“有机会一定要抓住。机会总是青睐有准备的人,有实力才会有机会,而实力则需要平时的努力来铸就。”(本栏目未经被采访对象审核)

  个人名片

  李永舫,高分子化学家。1948年8月10日出生于重庆市,籍贯河南睢县。1982年在华东理工大学(原华东化工学院)化工系获硕士学位,1986年在复旦大学化学系获博士学位。2013年当选中国科学院院士。中国科学院化学研究所研究员。

  长期从事光电功能高分子领域的研究工作,在聚合物太阳能电池共轭聚合物给体、富勒烯和非富勒烯n-型有机半导体受体光伏材料以及电极界面修饰层材料、导电聚合物电化学等方面取得了一系列研究成果。提出了通过共轭支链来拓展聚合物共轭程度,从而拓宽其吸收光谱的分子设计思想;提出通过使用富电子的茚双加成来提高C60的LUMO能级的思想,设计合成了茚双加成富勒烯衍生物(ICBA)新型受体光伏材料,使基于P3HT的光伏器件的开路电压和能量转换效率显著提高;通过侧链工程设计和合成了一系列与窄带隙n-OS受体吸收互补的高效中间带隙聚合物给体光伏材料;开发了低成本和高效的聚合物给体光伏材料PTQ10,有望应用到聚合物太阳能电池将来的实用化产品中。

  此外,在吡咯电化学聚合反应机理和聚合反应动力学、导电聚吡咯的两种氧化掺杂结构和电化学氧化还原反应机理、无机半导体纳米晶的溶液法制备、量子点发光二极管及钙钛矿太阳能电池等方面也取得了一系列研究成果。

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