○文/賈海琴

科技助力能源事業(yè) 創(chuàng)新成就科研未來
——記湖北省百人計劃特聘專家、湖北大學物電學院特聘教授朱斌博士

○文/賈海琴

2015年2月2日，愛思唯爾（Elsevier）發(fā)布2014年中國（大陸地區(qū)）高被引學者榜單，其中湖北大學物電學院特聘教授、湖北省百人計劃特聘專家朱斌入選該榜單中能源學術(shù)領(lǐng)域中國高被引學者名單。據(jù)了解，中國高被引學者榜單遴選標準是研究者作為第一作者和通訊作者發(fā)表論文的被引總次數(shù)在本學科所有中國（大陸地區(qū)）的研究者中處于頂尖水平，2014年該榜單分38個學術(shù)領(lǐng)域共遴選出1651名最具世界影響力的中國學者并呈現(xiàn)給學術(shù)界和公眾。朱斌在能源學科排名前列?？梢?，朱斌教授在能源領(lǐng)域取得的成績已經(jīng)被世界權(quán)威機構(gòu)認可，他為能源科技的發(fā)展做出的貢獻也是不可忽視的。

科技創(chuàng)新，碩果累累

進入21世紀以來，綠色能源、綠色產(chǎn)業(yè)等新興詞語不斷涌現(xiàn)，燃料電池將是繼火電、水電和核電之后的第四種可大規(guī)模生產(chǎn)的綠色電力技術(shù)。然而，以電解質(zhì)材料為核心的傳統(tǒng)氧化物燃料電池（SOFC）由于各部件間的兼容和匹配的復(fù)雜技術(shù)引起的科學問題和高造價嚴重阻礙了其市場化進程。對此，朱斌教授進行了20多年長期深入而細致的研究。

2010年，朱斌教授發(fā)明了無電解質(zhì)燃料電池-單部件裝置，該裝置首次創(chuàng)造了不用電解質(zhì)隔膜而只用一個功能材料的單部件來構(gòu)造燃料電池，打破了傳統(tǒng)SOFC需要陽極、陰極和電解質(zhì)多種材料精確匹配的限制，大大降低了制造成本。其核心單部件是由摻雜氧化鈰與金屬半導體氧化物構(gòu)成的新型半導體-離子功能材料，在燃料氫氣或天然氣作用下，在電池的燃料接觸面形成n型導電區(qū)，在空氣接觸面形成p型導電區(qū)，得到類似于太陽能電池的p/n結(jié)，構(gòu)成無電解質(zhì)隔膜燃料電池實現(xiàn)發(fā)電。

該設(shè)計巧妙地利用了半導體結(jié)，例如肖特基結(jié)和p/n結(jié)的半導體能帶結(jié)構(gòu)和勢壘，克服了燃料電池無電解質(zhì)隔膜而造成短路的難題同時避免了燃料電池主要由電解質(zhì)和電極（陽極和陰極）界面產(chǎn)生的功率損失。電池低溫工作性能好，在500℃下輸出功率密度達600毫瓦/平方厘米以上，遠高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的離子電解質(zhì)燃料電池。與現(xiàn)有的氧化物燃料電池相比，該電池具有以下突出優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單（為單一部件的器件可以用簡單的機械制造；而傳統(tǒng)燃料電池為陽極-電解質(zhì)-陰極三部件組成的復(fù)雜電化學裝置），容易實現(xiàn)；克服了傳統(tǒng)SOFC各部件材料匹配技術(shù)復(fù)雜及熱脆裂難題；電池重復(fù)性良好，制造工藝大大簡化，成本低廉，為進一步發(fā)展具有市場競爭性的SOFC產(chǎn)品開辟了一條新的途徑。該器件實現(xiàn)了SOFC低溫、高性能、無陶瓷材料部件間的匹配難題，有望在交通電源、移動電源、動力電源（電動汽車）等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。據(jù)悉，該研究已申請多項美國和中國發(fā)明專利。

無電解質(zhì)燃料電池是燃料電池170多年來發(fā)展歷程中的革命性突破，它去除了燃料電池產(chǎn)業(yè)化的瓶頸；由于無電解質(zhì)層，該電池是三合一單部件結(jié)構(gòu)，把燃料電池的制造從復(fù)雜的電化學制造簡化為簡單的機械制造；該發(fā)明開創(chuàng)了新一代能源技術(shù)：聯(lián)合燃料電池-太陽能電池原理的物理電化學器件；該電池的生產(chǎn)成本大幅降低，制作成本僅為傳統(tǒng)固體氧化物燃料電池成本的1/10。該器件能極大地簡化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本，有望突破固體氧化物燃料電池的商業(yè)化瓶頸。因此，該發(fā)明是高技術(shù)與低造價相結(jié)合的成果，為先進燃料電池的生產(chǎn)制造和產(chǎn)業(yè)化提供了巨大的商機。

再接再厲，屢創(chuàng)新高

朱斌教授在瑞典皇家工學院領(lǐng)導了先進燃料電池和太陽能電池研究組，自入選湖北省百人計劃特聘專家，朱斌教授于2013年底在湖北大學組建實驗室，建立了瑞典皇家工學院和湖北大學的聯(lián)合研究團隊。同年，他還入選南京321計劃，并創(chuàng)立了高科技公司——南京蘊納納米科技有限公司。他領(lǐng)軍中國新型燃料電池研究領(lǐng)域，帶領(lǐng)團隊開展了大量和深入的科學研究和技術(shù)攻關(guān)。結(jié)合科研實驗和理論研究，將半導體材料、能帶理論及技術(shù)引入到燃料電池的研究中，在世界別樹一幟，引領(lǐng)著全球下一代燃料電池的發(fā)展。同時，他還提出和建立了新型燃料電池和太陽能電池概念：半導體離子材料、器件和技術(shù)；利用半導體能帶的設(shè)計和技術(shù)進行燃料到電能轉(zhuǎn)化；單部件無電解質(zhì)或陽極-陰極-電解質(zhì)“三合一”燃料電池；基于半導體結(jié)的新型燃料電池，如異質(zhì)結(jié)燃料電池、肖特基結(jié)燃料電池、鈣鈦礦太陽能電池原理的燃料電池等。在此基礎(chǔ)上，開拓了一個嶄新的前沿領(lǐng)域——半導體離子材料和半導體離子學。由此而產(chǎn)生新的科學問題——半導體離子功能材料和器件及由此而形成的新一代能源轉(zhuǎn)換科學和技術(shù)：燃料電池和太陽能電池新型交叉學科，半導體結(jié)型新一代高效燃料電池，以及新一代半導體物理和離子電化學結(jié)合的高效清潔能源技術(shù)。

最近，朱斌教授及其研究團隊又結(jié)合先進的鈣鈦礦太陽能電池的科學原理，發(fā)展新一代高效能源技術(shù)，引進半導體能帶設(shè)計，實現(xiàn)電荷有效分離，促進離子快速遷移和氧化-還原反應(yīng)。實現(xiàn)了燃料到電能高效的轉(zhuǎn)化，在550℃獲得了超過1000mW/cm2的功率輸出。該研究成果已在Nano Energy（《納米能源》期刊）發(fā)表。這是首次關(guān)于太陽能電池原理為指導的燃料—電能高效轉(zhuǎn)換技術(shù)的報道，有望為開展新型能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究提供新的理論和技術(shù)指導。

筆耕不綴，專注專業(yè)

除了完成本職工作，朱斌教授一直主持歐盟-中國納米復(fù)合先進燃料電池研究（NANOCOFC）網(wǎng)絡(luò)（www.nanocofc.com），還兼任芬蘭Aalto大學（前赫爾辛基技術(shù)大學）和中國科技大學客座教授，東南大學客座教授、天津大學客座教授、中國地質(zhì)大學和燕山大學講座教授等職，曾任國家教育部“春暉計劃”清華大學春暉學者、哈爾濱工程大學教授、南洋理工大學訪問教授、瑞典全球燃料電池公司首席技術(shù)執(zhí)行官，以及瑞典皇家科學院（KVA）和瑞典皇家工程院（IVA）的燃料電池專家，歐盟、美國能源部、加拿大國家自然科學工程研究理事會和歐盟燃料電池等機構(gòu)的國際評審專家，在納米和燃料電池和能源領(lǐng)域做了數(shù)十次國際大會邀請報告，組織和參與組織國際學術(shù)會議，并擔任國際氫能和國際能源研究雜志的客座編輯，出版了數(shù)個學術(shù)專輯。

朱斌教授先后在Adv.Mat.（SCI.影響因子17.49）、Adv.Func.Mat.（SCI.影響因子11.8）、Energy & Environmental Science（SCI.影響因子20.5）、Adv. Ener.Mat.（SCI.影響因子16.146）、Nano Energy. （SCI.影響因子10.325）、Nano Res（SCI.影響因子7.01）以及J.Mat.Chem.A、J.Power Sources、Sci. Report、Int. J.Hydrogen Energy、RSC Adv.、Electrochem.Commun.等著名國際期刊發(fā)表學術(shù)論文200多篇，被引用4200余次，H-因子35（Google Scholar），引領(lǐng)國際燃料電池發(fā)展的新方向。

千磨萬擊還堅勁，任爾東西南北風。而今，朱斌教授依然執(zhí)著而堅韌的奮戰(zhàn)在新型燃料電池科研第一線，面向產(chǎn)業(yè)化，帶領(lǐng)團隊為我國的綠色能源、清潔能源事業(yè)貢獻著自己的一份力量。