追求無界 登攀不息

——記清華大學(xué)“身邊榜樣”,、能動(dòng)系博士生曹天宇

曹天宇在實(shí)驗(yàn)室 

投身燃料電池研究之路

曹天宇的博士課題研究對(duì)象是直接碳燃料電池,，一種能夠在高溫下 (700-900℃) 通過電化學(xué)反應(yīng)把煤炭中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電設(shè)備,。因?yàn)槿剂想姵刂械奶沾呻娊赓|(zhì)隔膜把煤炭與空氣隔絕開來,，所以發(fā)電過程中沒有劇烈發(fā)光發(fā)熱的燃燒反應(yīng),，減少了粉塵,、氧化硫與氮氧化物的排放,。

國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：2017年我國能源總消費(fèi)達(dá)44.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,，其中煤炭占到一次能源消費(fèi)總量的63%,。分散使用的煤炭（散煤）雖然僅占煤炭消費(fèi)總量的1.5%左右,，但是散煤消費(fèi)產(chǎn)生的污染物達(dá)到煤炭源污染物排放的 50%以上。直接碳燃料電池能夠有效控制散煤消費(fèi)造成的污染,，是解決我國能源環(huán)境問題的關(guān)鍵技術(shù)裝備,。

燃料電池的穩(wěn)定性是曹天宇研究中的重要方面。此前,，美國工程院院士,，賓夕法尼亞大學(xué)雷蒙德·高爾特（Raymond J. Gorte）教授認(rèn)為直接碳燃料電池中的熔融銻碳轉(zhuǎn)化電極會(huì)腐蝕電池核心部件——陶瓷電解質(zhì)隔膜。但是曹天宇在研究過程中發(fā)現(xiàn)：液態(tài)銻金屬與電解質(zhì)的反應(yīng)情況不僅與陶瓷組成成分有關(guān),，還與電解質(zhì)的制備工藝有關(guān),，部分實(shí)驗(yàn)中沒有觀測(cè)到銻電極對(duì)電解質(zhì)的腐蝕。為此,，他專門向高爾特教授請(qǐng)教這一問題,，但是經(jīng)過幾番討論，曹天宇發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)金屬銻與陶瓷間反應(yīng)情況的報(bào)道屬于空白,，需要專門設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來研究電極與陶瓷電解質(zhì)之間的作用機(jī)理,。

為了明確金屬銻電極與電解質(zhì)之間的反應(yīng)機(jī)理,，曹天宇申請(qǐng)了清華“博士生短期出國訪學(xué)基金”，前往高爾特教授實(shí)驗(yàn)室開展聯(lián)合研究,。在這期間,，通過不同的技術(shù)路線制備了多種陶瓷電解質(zhì),，并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的長周期電化學(xué)腐蝕特性測(cè)試。在單次長達(dá)200小時(shí)的測(cè)試中,，需要每6小時(shí)測(cè)試一次電池的阻抗以確定電解質(zhì)的厚度。

曹天宇在博物館

在那段時(shí)間里,，實(shí)驗(yàn)成為了指令作息的精確時(shí)鐘：早上來到實(shí)驗(yàn)室要測(cè)試一次,，午飯前后要測(cè)試一次，晚飯之后一次,，午夜離開實(shí)驗(yàn)室一次,。在測(cè)試的間隙中，他緊鑼密鼓地分析處理數(shù)據(jù),，與教授討論,，以確定下一步的實(shí)驗(yàn)方案。幸運(yùn)的是,，幾個(gè)月的辛勞終于換得了實(shí)驗(yàn)成果：液態(tài)銻金屬主要通過陶瓷電解質(zhì)的晶界向其內(nèi)部遷移,，遷移的金屬打斷了陶瓷晶粒之間的聯(lián)系，最終造成了電解質(zhì)解體,。

在先前的文獻(xiàn)中,，部分批次的電解質(zhì)燒制溫度較低，晶粒較小,，因此腐蝕速率較快,；而另一些批次的電解質(zhì)燒制溫度較高，晶粒長大,，所以腐蝕速度慢,，難以直接觀測(cè)。這一理論不僅揭示了熔融銻電極與電解質(zhì)陶瓷之間的反應(yīng)機(jī)理,，還解釋了此前文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,，統(tǒng)一了領(lǐng)域內(nèi)的分歧。為此他們聯(lián)合發(fā)表了學(xué)術(shù)論文,。

阻礙燃料電池實(shí)用化的另一個(gè)主要因素是其高昂的制造費(fèi)用：為了保證高溫下的強(qiáng)度,，目前多數(shù)研究者都采用金屬陶瓷電極或電解質(zhì)陶瓷作為支撐體，把大量的功能材料浪費(fèi)在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)上,。為了降低制造成本,，曹天宇選用不銹鋼作為支撐體,，采用等離子噴涂技術(shù)添加燃料電池所需的功能層。等離子噴涂通過等離子體火焰熔融陶瓷粉體,，融化的陶瓷液滴隨后撞擊不銹鋼支撐體,，最終在支撐體上凝固形成陶瓷薄膜。由于經(jīng)歷了劇烈的融-凝過程,，陶瓷內(nèi)部的晶粒間存在強(qiáng)烈的壓應(yīng)力,，使得晶粒之間的結(jié)合更為緊密。因此,，等離子噴涂不僅能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池的批次化生產(chǎn),，還能沉積穩(wěn)定耐蝕的電解質(zhì)隔膜，是一種可行的高溫燃料電池制造路線,。

為了學(xué)習(xí)等離子噴涂技術(shù),，他前往美國南卡羅萊納大學(xué)，那里有一臺(tái)西門子公司燃料電池部門使用過的舊噴涂系統(tǒng),。在訪學(xué)期間,，曹天宇守在系統(tǒng)旁，翻閱系統(tǒng)手冊(cè),，查看技術(shù)資料,，邊學(xué)習(xí)，邊修理,，邊試驗(yàn),。機(jī)械手操作、噴槍維護(hù),、工裝夾持、除塵器檢修都成了他的必修課,。最終,，他打通了等離子噴涂制備高溫燃料電池工藝路線，目前已經(jīng)在國內(nèi)成功落地,。

明確電化學(xué)界面反應(yīng)機(jī)理是提高燃料電池性能的重要途徑,。但是，高溫燃料電池系統(tǒng)在線觀測(cè)困難,，實(shí)驗(yàn)手段選擇受限,，反應(yīng)機(jī)理鑒別缺乏直接的證據(jù)。為了找到能夠在線表征高溫燃料電池電極反應(yīng)的儀器,，曹天宇走訪了很多科研單位,，拜訪了多位老師，得到的結(jié)果卻是：高溫在線表征系統(tǒng)需要幾百萬人民幣,，完全依賴進(jìn)口,，目前在國內(nèi)基本屬于有價(jià)無市的狀態(tài),。但是在走訪過程中，他看到了老師們對(duì)在線表征手段的熱情和企盼,，有幾位老師還表示如果愿意研制這樣的系統(tǒng),，他們可以提供技術(shù)上的支持。

既然買不到,，就造一臺(tái)出來,！曹天宇從此開始了駐廠的生活：盯著廠長要尋求支持，商議合作,；纏著總師討論設(shè)計(jì),，敲定工藝；陪著工人加工組裝,，調(diào)試質(zhì)檢,。他注視著產(chǎn)品，廠里的人們也在注視著他,，當(dāng)看到他住職工宿舍之后,，當(dāng)發(fā)現(xiàn)他吃廠辦食堂之后，當(dāng)與他促膝相談之后,，工人們放下了心結(jié),，給他提出了無數(shù)的寶貴意見，幫助他完成了第一套在線拉曼高溫電化學(xué)表征系統(tǒng),。

目前,，該系統(tǒng)的研發(fā)受到學(xué)校相關(guān)機(jī)構(gòu)的支持，正在向集成化,、自動(dòng)化的方向努力,。

博士生涯收獲成長

通過自己的研究經(jīng)歷，他意識(shí)到規(guī)劃的重要性,，古人講“預(yù)則立,，不預(yù)則廢”。他認(rèn)為凡事要規(guī)劃在前面,。讀博士有很多關(guān)鍵的環(huán)節(jié),，要把每個(gè)環(huán)節(jié)做好才能達(dá)到畢業(yè)的要求。對(duì)于平時(shí)做研究,，要首先搞清楚為什么要做這個(gè)研究,，有哪些關(guān)鍵的科學(xué)問題，這個(gè)技術(shù)路線在理論上能不能行得通,，又有哪些可能的難點(diǎn)需要做準(zhǔn)備,。這些問題可以通過檢索文獻(xiàn)、請(qǐng)教導(dǎo)師、求助師兄師姐,、跟專業(yè)人員交流等辦法摸清楚,。只有摸清八九成才能對(duì)整體的研究進(jìn)度有所把握。

讀博士不比讀其他學(xué)位,，沒有一位老師手把手地傳遞知識(shí),。特別是研究學(xué)科前沿的課題，往往沒有經(jīng)典的教科書可供參考,。那就需要努力地學(xué)習(xí),，曹天宇認(rèn)為，學(xué)習(xí)不只是從書本上學(xué)習(xí),，還要從文獻(xiàn)里學(xué)習(xí),，從網(wǎng)絡(luò)上學(xué)習(xí)，從專業(yè)人士（專家,、工程師,、外國同行）那里學(xué)習(xí)。要做個(gè)有心人,，要保持旺盛的求知欲望,。單打獨(dú)斗會(huì)增加讀博士的難度。課題遇到了困難他一定要尋求幫助,，積極向身邊的各種人學(xué)習(xí),，包括導(dǎo)師、課題組里的同學(xué)和其他學(xué)者,。在他看來,，只有主動(dòng)尋求幫助，才能集思廣益,。

曹天宇對(duì)于實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象,、計(jì)算的結(jié)果都進(jìn)行了仔細(xì)觀察分析。有哪些是意料之中的,，哪些是意料之外的,，都要分門別類地歸納好。有意料之外的奇怪現(xiàn)象要仔細(xì)調(diào)查挖掘,，不能含糊了事。

做過的實(shí)驗(yàn)有哪些條件還要控制好,，還需要哪些表征手段,，還需要進(jìn)一步做哪些工況都要總結(jié)清楚。實(shí)驗(yàn)應(yīng)該邊做邊記錄,，數(shù)據(jù)要及時(shí)整理,，表征出來的圖片和圖譜要馬上處理比對(duì)。

遇到答辯和學(xué)術(shù)報(bào)告的情形,，要仔細(xì)準(zhǔn)備——學(xué)術(shù)交流是對(duì)研究的階段性總結(jié),，可以幫助指明下一步的研究思路,。老師和專家提的問題要記錄下來，事后可以與導(dǎo)師進(jìn)一步分析討論,，完善今后的研究,。

（清華新聞網(wǎng)5月31日電）

供稿：能動(dòng)系

編輯：宋亮 李華山 曲田

審核：周襄楠