追求無界 登攀不息

——記清華大學(xué)“身邊榜樣”、能動系博士生曹天宇

曹天宇在實驗室 

投身燃料電池研究之路

曹天宇的博士課題研究對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。因為燃料電池中的陶瓷電解質(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)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：2017年我國能源總消費達(dá)44.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭占到一次能源消費總量的63%。分散使用的煤炭（散煤）雖然僅占煤炭消費總量的1.5%左右，但是散煤消費產(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)，部分實驗中沒有觀測到銻電極對電解質(zhì)的腐蝕。為此，他專門向高爾特教授請教這一問題，但是經(jīng)過幾番討論，曹天宇發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有文獻(xiàn)中對金屬銻與陶瓷間反應(yīng)情況的報道屬于空白，需要專門設(shè)計實驗來研究電極與陶瓷電解質(zhì)之間的作用機理。

為了明確金屬銻電極與電解質(zhì)之間的反應(yīng)機理，曹天宇申請了清華“博士生短期出國訪學(xué)基金”，前往高爾特教授實驗室開展聯(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)腐蝕特性測試。在單次長達(dá)200小時的測試中，需要每6小時測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

在那段時間里，實驗成為了指令作息的精確時鐘：早上來到實驗室要測試一次，午飯前后要測試一次，晚飯之后一次，午夜離開實驗室一次。在測試的間隙中，他緊鑼密鼓地分析處理數(shù)據(jù)，與教授討論，以確定下一步的實驗方案。幸運的是，幾個月的辛勞終于換得了實驗成果：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。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)機理，還解釋了此前文獻(xiàn)中報道的實驗現(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。

阻礙燃料電池實用化的另一個主要因素是其高昂的制造費用：為了保證高溫下的強度，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在加強結(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，查看技術(shù)資料，邊學(xué)習(xí)，邊修理，邊試驗。機械手操作、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)在線觀測困難，實驗手段選擇受限，反應(yīng)機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)基本屬于有價無市的狀態(tài)。但是在走訪過程中，他看到了老師們對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，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)機構(gòu)的支持，正在向集成化、自動化的方向努力。

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)，要把每個環(huán)節(jié)做好才能達(dá)到畢業(yè)的要求。對于平時做研究，要首先搞清楚為什么要做這個研究，有哪些關(guān)鍵的科學(xué)問題，這個技術(shù)路線在理論上能不能行得通，又有哪些可能的難點需要做準(zhǔn)備。這些問題可以通過檢索文獻(xiàn)、請教導(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。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)。要做個有心人，要保持旺盛的求知欲望。單打獨斗會增加讀博士的難度。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，只有主動尋求幫助，才能集思廣益。

曹天宇對于實驗的現(xiàn)象、計算的結(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。

做過的實驗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。實驗應(yīng)該邊做邊記錄，數(shù)據(jù)要及時整理，表征出來的圖片和圖譜要馬上處理比對。

遇到答辯和學(xué)術(shù)報告的情形，要仔細(xì)準(zhǔn)備——學(xué)術(shù)交流是對研究的階段性總結(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：能動系

編輯：宋亮 李華山 曲田

審核：周襄楠