张生：这张膜将改变燃料电池

张生在陈的实验室里被拍照。

他温柔，不爱说话，是个典型的学者。他第一次见到张生是在天津大学化学工程学院，一位杰出的年轻教授。他给人这样的印象。

然而，当谈到他从事了十多年的电化学研究时，张生立刻变成了一个人，侃侃也谈到了这一点。他一直在研究各种电池，并取得了许多世界级的研究成果。张生坦率地说:“利用电化学原理开发清洁能源技术是我的理想。”

最近，张生和英国曼彻斯特大学的诺贝尔物理学奖获得者安德烈·海姆爵士合作证实了石墨烯、氮化硼和其他二维材料的质子传导性。他们进一步发现，在自然界中广泛存在的云母被用于燃料电池的高温质子交换膜，其在性能、节能和环境保护方面优于目前的商业膜。这两项研究成果分别发表在世界*学术期刊《自然纳米》和《自然通讯》上。

从童年起，他就被“电”所束缚

“我从本科生到医生都在学习电化学。回想起来，我从小就对电特别好奇。”张生回忆起他与电化学的密切关系，解释道。在高中时，张生最喜欢的化学实验是拆卸收音机中使用的旧电池，并将二氧化锰和锌制成的电极插入碱性溶液中，碱性溶液会产生电能并使小灯泡发光。“现在想来，干电池是最简单的电化学原理的应用，即把化学能转化为电能。专业术语叫做‘初级细胞’。”

当2005年作为研究生学习时，张生第一次接触到燃料电池，从那以后已经有十多年了。“燃料电池是一种非常好的清洁能源技术。它不受热力循环的限制，具有极高的能量转换效率。此外，燃料电池发电过程的产品只是水，没有碳排放，非常环保。”张生激动地说，“但是当时我们国家对燃料电池的研究才刚刚开始。开发的燃料电池成本高，难以实现商业化

张胜度博士在研究时，他的主要研究方向是降低燃料电池的成本。通过碳改性，他和他的团队增加了廉价金属的数量，达到了使用昂贵的铂催化剂作为电极的效果，并大大降低了电极的成本。

在燃料电池中，质子传导性对燃料电池的能量转换效率非常关键。“当时，只有全氟磺酸膜，技术垄断的价格很高，而且耐高温。燃料电池所需的质子传导膜应该非常薄，像一个“网”，孔的大小只能让质子快速通过，并能阻止反应物氢的渗透。但当时，由于我的知识有限，我无法解决这个难题。”张生解释道。

带着这种遗憾，张生去了美国进行博士后研究，重点是电化学转化和利用温室气体二氧化碳。在国外学习和工作期间，他接触到了更多的材料科学、化学、物理和其他方面的知识。这些新知识拓展了他的视野，但寻找性能更好的质子传导膜这一难题一直让他耿耿于怀。

解决提高燃料电池性能的问题

张生的坚持再次让他的生活轨迹与燃料电池接触。他出色的研究成果使张生能够获得欧盟杰出人才计划的资助，在英国曼彻斯特大学工作，并专注于质子交换膜问题的研究。

“很容易找到可以用作‘网’的二维材料，但研究过程也充满曲折。”张生说，根据各种文件和以前的研究，他们发现了石墨烯，一种二维材料，并认为他们找到了一个合适的“网”。然而，事实证明，这条路才刚刚开始。石墨烯材料由碳的六元环结构组成，这种结构非常不稳定，需要铜片作为衬底才能稳定地形成石墨烯薄膜。然而，铜不能让质子通过，所以稳定的石墨烯需要从铜片上转移。

“半年来，我们已经试验了20多种方法，如热压和冷压。然而，由于弱的界面相互作用，石墨烯薄膜在转移过程中受到严重破坏回想当时的情况，张生仍然记得，“我当时的心情和曼彻斯特的冬天一样。我看不见太阳。”通过总结失败的方案和调整张生的思路，他最终找到了一种胶水来增加界面强度，实现石墨烯薄膜的完美转移。

然而，石墨烯薄膜并没有解决耐高温的问题。回到中国后，张生发现了一些与石墨烯结构相似的材料，但也存在各种问题。直到云母材料的出现，才让张生如获至宝。“云母在地壳中极其丰富，价格低廉。用云母制备的云母质子膜可以满足各种条件，使用温度可以从100℃提高到500℃张生说，云母膜的质子传导率超过目前商业要求的两倍，电动汽车应用于燃料电池后，其里程将会大大提高。

“我们开发燃料电池(一种清洁能源技术)的初衷之一是减少碳排放，而减少碳排放的更好方法是将二氧化碳转化为财富。”张生依托天津大学化学学院绿色合成与转化重点实验室，通过逆转燃料电池的能量转换原理，利用电能打开二氧化碳的碳氧分子键，并加入氢气，选择性地将二氧化碳转化为甲酸、乙烯和乙醇等有用物质。

“虽然这项研究非常困难，但它需要勇于面对困难的精神。我相信，通过努力工作，我们的团队一定能够开发出一种清洁能源技术，通过电化学手段转化二氧化碳。”面对未来，张生充满信心。