近日，記者在創新港實驗室裡見到了化工學院副教授、博士生導師楊卷，他穿著實驗服，正專心致志觀測和除錯新近定製的高溫炭化爐執行情況。
“這是我們製備碳材料必須要用到的爐子，不同型別的爐子功能不同，有的爐子在鍛燒物料的時候還需要加入特定氣體，來製備不同性質的碳材料……現在我國高階碳材料大部分依賴進口，我們的目標是實現新型儲能碳材料的國產化。”楊卷堅定地說。
碳材料家族非常龐大，可以說是一種古老而又年輕的材料，公元前就有使用碳材料的記載，隨著先進表徵技術的發展和革新，一些新型碳材料逐步被發現和熟知，包括碳纖維、多孔碳、富勒烯、碳奈米管、石墨烯、石墨炔等。碳材料具有密度小、強度大、耐高溫、抗疲勞、熱膨脹係數小、生理相容性好等一系列優異效能，是軍民兩用的化工新材料。新型碳材料的發展和應用對提高軍事國防實力和工業產品競爭力都是至關重要的，已經成為衡量一個國家科技水平、軍事和經濟實力的標誌之一。
國之所需，吾之所向
十年來，楊卷一直專注於新型碳材料及其複合材料研究，尤其聚焦碳材料應用於新能源儲能領域，主要研究方向為碳基能源材料的選控制備及原位表徵技術開發等。
談到儲能，人們很容易想到電池，但當前的電池技術在電網級儲能、超級快充以及穩定性等方面還存在差距。現有的儲能系統主要分為五類：機械儲能、電氣儲能、電化學儲能、熱儲能和化學儲能。在大規模儲能系統中，應用最為廣泛的抽水蓄能和壓縮空氣儲能等傳統的儲能方式正在經歷不斷改進和創新，電化學儲能近年來異軍突起，正成為發展趨勢，而電化學儲能的發展依賴於多孔碳、石墨/石墨烯等新型碳電極材料的開發。
“通俗地說，我目前主要研究超級電容和鋰/鈉電池用碳材料，就是將碳材料及其複合材料作為工作電極，應用於電化學儲能裝置。期待能解決國家在新能源利用、儲存方面的技術難題，為我國實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和目標作出貢獻。國之所需，吾之所向。”楊卷說。
利用先進的表徵技術探究功能材料的形成及其作用機制也是新能源儲能技術領域研究的難點問題之一。時間回溯到2011年，楊卷在大連理工大學邱介山教授領導的學術團隊攻讀研究生時，主要從事二維層狀材料的結構調控方法學及其與功能碳材料的耦合策略等方面的研究，並在金屬氫氧化物(如LDH)的生長與構效關係等方面取得了系列的創新成果。但隨著研究的深入，他們發現對於非層狀二維材料，如具有岩鹽結構的二維金屬氧化物或硫化物，其形成機制至今尚不清楚，合成過程依然是一個“黑箱”，無法實現與碳材料的有效複合與精準調控。他們設想能否透過先進的原位表徵技術手段實現這個“黑箱”的視覺化。在博士生導師邱介山教授的推薦下，當時還是博士生的楊捲到美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）聯合培養，並與國際知名學者鄭海梅教授在原位液相透射電鏡的表徵與應用等方面開展合作研究。
“我是學化工出身，最關注的是製備新型材料過程中涉及的‘三傳一反’（動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和化學反應過程），我們的研究必須從中找出規律和原理。”剛到美國的半年，楊卷從事的都是基礎研究工作，例如電鏡操作、實驗臺搭建、原位試驗等，“最枯燥的是需要整理和分析大量的實驗資料”，後面半年多，楊卷的研究有了突破性進展。
他利用原位液相透射電鏡表徵技術，在國際上首次成功地觀察到過渡金屬基二維氧化物（氧化鈷、二元鎳鈷氧化物等）的原位形成及形貌演變過程，採集了大量視覺化的影象資料，透過探究相鄰氧化物奈米晶之間的相互作用，在原子水平和介觀尺度上揭示了二維氧化物的取向連線機制。這一重要發現，與先前人們對非層狀二維材料形成機理（3D奈米晶取向連線或模板導向生長）之認知明顯不同。這一突破性研究成果，歷經四年多的時間，以“奈米顆粒作為中間態的二維過渡金屬氧化物原位形成機制”（Formation of two-dimensional transition metal oxide nanosheet with nanoparticles as intermediates）為題，於2019年7月8日發表在著名學術刊物《自然•材料》（Nature Materials）上。論文第一作者是楊卷，邱介山教授、Lin-Wang Wang教授和鄭海梅教授為論文的共同通訊作者。
研究成果既要上書架也要上貨架
美國國家實驗室的科研機制也留給楊卷深刻的印象：以重大專案為牽引組織課題組，為了解決課題中的技術難題，有時是行業共性技術難題，不同專業領域的專家通力合作、聯合攻關。
楊卷於2017年9月加入西安交通大學化工學院。學校濃厚的學術氛圍和陝西的資源稟賦是吸引他的主要原因，創新港的建設更讓他心潮澎湃。“美國的學習經歷對我觸動很大，他們的科研人員思維非常活躍，我們絲毫不能懈怠。創新港現在的科研模式已轉變成以專案為牽引、以原創性基礎研究和企業需求為主導，這對科研人員來說是非常好的機會。”
入職以來，楊卷承擔《化工原理》等課程的助教和輔講等授課任務，主持國家自然科學基金、國家重點研發專案子課題、陝煤聯合基金專案課題以及企業橫向課題等10餘項。在Nat. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano等本學科領域國際知名學術刊物上發表論文40餘篇。其中7篇論文被選為封面文章，發表論文多次被Nature、Nat. Mater.等期刊引用和專題評述。獲遼寧省優秀博士論文、陝西省科學技術二等獎、遼寧省自然科學學術成果一等獎、西安交大“十大學術新人”等各類獎勵和表彰20餘次。擔任中國化工學會化學工程專業委員會以及中國能源學會新能源委員會委員等。
楊卷說：“做科研，發文章不是最終目的，應用才是科研成果的‘試金石’。科研成果既要上書架，也要上貨架。”
說起來容易做起來難。在實驗室環境下製備一小塊新型碳材料和工業化大規模製備碳材料之間，還有一段很長的路要走。楊卷舉了一個例子：“作為化工學院化工研究所團隊的成員，我的研究小組一直與延長石油、陝煤等企業開展碳材料科研合作，共同開發儲能活性炭、石墨烯等一系列產品。我們發現在實驗室小爐子裡製備新型碳材料沒什麼問題，但是當進一步擴大規模時，爐內就會出現物料受熱不均、恆溫區面積小、材料效能不穩定等問題。”為了解決這些問題，楊卷他們與高溫炭化爐廠家反覆溝通，透過爐型設計，不斷擴大恆溫區面積，多次除錯，正一點點為工業化大規模製備新型碳材料掃清各種障礙。
目前，進口碳材料一噸的成本價在30萬元左右，高昂的價格使得與之相關的新能源產業如新能源汽車等發展受限。新能源汽車對儲能器件的要求越來越高，這就意味著對電極材料的要求也越來越高，新能源汽車企業需要電極材料有更低的價格、更好的穩定性和更長的續航能力。
“新能源、儲能這些領域都是我們攻關的目標。國內以碳材料作為電極材料的原創性研究成果較為短缺，我們的目標就是致力於把這些高階碳材料實現國產化、工業化，把他們的成本降下來。”楊卷目前科研攻關的重點是透過調整碳材料的結構，探索新型碳材料及其複合材料作為儲能器件在極端氣候條件下的容量和穩定性等。
2020年，西安交大創辦儲能科學與工程專業獲得教育部批准，成為全國首個創辦儲能專業的高校。這讓楊卷興奮不已：“儲能專業的創辦就像給我們打了個‘強心針’。創新港作為科研平臺非常好，目前我們實驗室用到的裝置80%都是國產的，表徵技術也達到了前所未有的高度——創新港大型儀器裝置共享實驗中心的各種電鏡、光譜儀等就像我們吃飯用的‘筷子’，一天也不能缺。假以時日，創新港一定能成為科技創新、科技成果轉移轉化的高地。”
在教學和科研中，楊卷始終以化學工程的知識與背景指導新型碳材料製備。他說：“陝西資源富集，也面臨著傳統化工行業轉型升級的問題，煤/石油化工副產物如何實現高附加值轉化，就是化工、材料、能源學科的交叉融合發展方向。煤炭裡富含大量芳香烴結構單元，我們透過對煤炭進行預處理，製備新型高階碳材料，這樣既可以助推煤炭化工行業高質量發展，也有助於‘雙碳’目標的實現。目標有多遠，腳下的路就有多遠。科研是用99%的艱辛和汗水，換取1%的成功和喜悅，既然選了科研這條路，就要用短短几十年的光陰，給國家和社會留下些什麼！”
文字：李莉
圖片：李莉
編輯：崔可嘉
