归国学者发现新型催化剂，可耐受10000次充放电循环！-DeepTech

时间：2021-02-04 文章来源：

"优秀人才回国是历史的必然"，谈及 9 年前跟随原中科大校长、现中科院院长侯建国院士回国，曾杰显得十分坚定。2012 年，辞去美国的工作后，他来到中国科学技术大学担任教授至今。

图 | 曾杰正在指导学生（后排左一为曾杰）

2021 年 1 月 1 月新年伊始，他迎来团队的首篇顶刊论文，其团队联合该校鲍骏研究员，发现一种新型氢氧燃料电池阴极催化剂，这种催化剂具有超立方体框架结构，在氢氧燃料电池阴极反应中表现出高活性和高稳定性，这一结构特性给电催化剂的设计提供了新思路。

日前，该成果以《Pd–Pt 超立方体用于氧还原反应》（Pd–Pt Tesseracts for the Oxygen Reduction Reaction）为题发表在《美国化学会志》（JACS）上。

曾杰告诉 DeepTech，最初进行该研究的原因在于：燃料电池可将化学能转化为电能，是火力发电设备的极佳替代物，但由于成本高和系统复杂，目前仅用于部分特殊用途，距离大规模商用较远。在少有的可商用燃料电池中，铂基催化剂是这类电池的阴极氧还原催化剂，但当前催化剂的稳定性和活性都不高，电池的充放电循环次数和输出功率都会受到制约，这直接给电池成本带来挑战。

据曾杰表示，本次研究的灵感来自三维立方体向四维超立方体的演变，受此启发，他把钯铂合金立方体进行氧化刻蚀，再通过精准调控，把多余的钯原子去除，然后将剩余的钯铂原子重排，最终得到钯铂合金超立方体。

图 | 具有四维结构的超立方体（来源：曾杰）

据介绍，在氢氧燃料电池阴极催化测试中，超立方体、八足体和立方体的单位质量活性，分别达到商用铂碳催化剂的 4.1 倍、11.6 倍和 8.3 倍。

图 | 几种钯铂框架结构催化剂和商用铂碳催化剂的单位质量活性对比

始于四维结构，落脚燃料电池

之所以从铂和钯入手，是因为铂是当下做氧还原反应时最理想的催化剂材料，钯可作为替代金属在里面起到调控作用，且价格也比铂便宜。

空心框架结构具有高比表面和高活性位点占比的优点，可极大提升原子利用率，进而提升其催化性能，故此是最有潜力的催化剂结构之一。

其中，超立方体结构正是一种极为特殊的空心框架结构，并且该结构具备高活性的晶面。因此，曾杰通过刻蚀钯铂合金纳米立方体的方式，得到了超立方体结构。

如果只用一种金属，很容易出现要么金属全部被挖掉，要么完全挖不动的情况，也很难做出超立方体结构。

而铂和钯可以形成任意比例的合金成分，并且钯和铂的化学性质不一样，钯很容易被挖掉，铂不太容易被挖掉，这样就可把大部分钯挖掉，不仅更容易获得框架结构，还能留下更多以铂为基准的钯铂合金，催化氧还原反应也更易进行。

图 | 钯铂超立方体、八足体、立方框架结构纳米晶的表征

钯铂催化剂的潜力表现：兼具高活性和高稳定性

曾杰解释称，催化剂一般要具备三大因素：活性、选择性和稳定性，但有些催化剂往往只具备活性和稳定性。

催化剂表面由原子构成，活性较高时，原子有时会处于亚稳态，但稳定性可能欠缺；而稳定性较好时，活性或会出现欠缺，这种矛盾很难解决。

以日常事物来打比方说，砖头的稳定性很好，但是活性较差；笼子的活性很好，但是稳定性较差。

而钯铂超立方体催化剂兼具高活性和高稳定性，从结构上可消解活性和稳定性的矛盾。而曾杰团队之所以能解决该问题，在于超立方体结构 “浑身” 都有活性，高活性棱边就像房梁一样，能把整个结构撑起来，稳定性也由此提高，这也是本次研究的最大亮点。

以日常事物来打比方说，砖头的稳定性很好，但是活性较差；笼子的活性很好，但是稳定性较差。而曾杰团队之所以能解决该问题，在于超立方体结构 “浑身” 都有活性，高活性棱边就像房梁一样，能把整个结构撑起来，稳定性也由此提高。

谈及本次研究的灵感，曾杰表示，最开始团队在维基百科上看到一些几何结构，如柏拉图多面体、亚里士多德多面体等，而这些都是三维结构。

图 | 柏拉图多面体（来源：维基百科）

他们无意中发现，基于三维结构还会延伸出四维结构，四维结构可在每个方向都展出三维结构，这种结构看起来是一个科幻感十足的空间几何结构。

但该结构只是一个数学模型，它和催化没有太大关系。不过该团队还是就该结构和材料的关系，做了探索性讨论。曾杰判断，如果把这种结构做成纳米材料，材料的原子利用率可能和空心框架材料一样高。

这样判断的理由是，把多面体挖空后，就可呈现出四面八方的空腔，即仍然是框架结构，每个方向可保留一些特定晶面，因此原子利用率非常高。而催化剂天然喜欢原子利用率高的东西，由于曾杰使用的钯和铂都是贵金属，原子利用率比较高，这不仅能降低成本，还可提高催化剂活性。

另一方面，该团队还猜想，在同样原子利用率的情况下，四维结构跟之前发现的三维空心框架结构、以及空心壳结构之间的区别就在于它的脊，即四维结构拥有立体的梁。这样的好处是，不仅催化利用率高，还能支撑整个立体结构。

他们选择的立方体结构，其内部非常有规律，通过立方体的 6 个面，沿着这些面的方向去挖，就能挖出四维超立方体材料。

具体实现时，曾杰使用刻蚀法，把结构设计出来后，先把它做成一个充实的立方体，然后选择性地朝着某些方向去挖，把那些梁给挖出来，这种方法叫做刻蚀。

用此方法获得的催化剂，在电化学测试环境中，表现出极高的结构稳定性，经过 10000 次燃料电池循环充放电测试，催化剂性能未出现明显下降。概括来说，该研究拓宽了对蚀刻机理的理解，也为新型框架结构的催化设计提供了有效思路。

曾杰的就职单位，也是自己的母校——中国科学技术大学，该校曾培养出崔屹等材料大牛，两者也是同校校友。而前者对中学生科普，也颇有托付。

跟随恩师回中国，奔波各地做科普

2008 年，曾杰在中国科大完成博士学业，赴美继续从事科研，师从著名纳米科学家夏幼南教授，先后任博士后和研究助理教授。但从出国起，他就怀着一颗 “归国之心”。

图 | 曾杰（来源：中科大）

关于他回国任教，曾有这样一则插曲。2012 年春，时任中国科大校长的侯建国院士赴美招聘青年人才，曾杰在波士顿迎接昔日导师，师徒之间进行了一次长谈。这次长谈让曾杰决定立刻辞去美国的职位，并约定两周后两人在纽约机场会合。

最终，他与侯建国院士搭乘同一航班返回国内。他说：“国家对科研人才的重视超过历史任何时刻，国内的科研条件不断提升、吸引力在增加，现在和未来，祖国都是科研的热土。”

业余时间的曾杰喜欢做科普，虽然这对发论文几乎没有帮助，但他乐此不疲。在美国时期的导师夏幼南教授的导师是美国三院院士、哈佛教授 George M. Whitesides，其有一本英文科普书籍叫 No Small Matter，曾杰参与翻译了这本书，中文名为《见微知著：纳米科学》，这本书还曾获得全国优秀科普作品奖。在书籍推介、以及随学校去高中进行招生宣传时，他开始做起了科普。

他曾到河南安阳一所高中做科普报告，并借此点燃了一名学生的科研梦。日后这位学生考上中山大学，并去美国哥伦比亚大学留学。2019 年 9 月 2 日，是曾杰新学期第一天，这位学生深知曾杰未必记得他是谁，但还是鼓起勇气给后者写了一封感谢信，表示因为此前曾杰那场的科普报告，才萌生出科研热情。

图 | 一位听过曾杰科普报告的学生写来的感谢信（来源：受访者朋友圈）

此外，曾杰还去过贵州等地的贫困县做科普。类似事情也发生过多次，他也经常把自己翻译的书附上赠语送给学生。国内某问答社区有一个问题叫“中科大的曾杰老师怎么样？”，一位称是曾杰学生的用户表示，此前曾答应保研到曾杰小组，但因为“想出去闯一闯”而放鸽子，但是曾杰依然以对方的选择为优先。

生于河南信阳农村的曾杰，人生并非一帆风顺，在读博期间，他的双眼因为做实验被灼伤过，虽然进行了及时的手术治疗，但至今仍有后遗症。现在他在实验室读文献，都得用 A3 纸打印成报纸大小的 “海报” 来读，学生给他发邮件也主动用微软雅黑加粗字体，希望能减轻他的用眼压力。

与科研密切接触了二十多年，曾杰坚信，科学研究不仅要仰望星空，也要脚踏实地。他不断告诉自己，科学研究不仅需要 “智商”，也需要 “逆商”；不仅需要 “智慧”，也需要 “韧劲”。

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转自：DeepTech深科技

*路雨晴对本文亦有贡献。

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