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麦立强:纳米能源材料领军者

2021-03-26 来源:《经济》杂志-经济网 戴宇航 何泽   加入收藏

麦立强在人民大会堂领取国家自然科学二等奖证书

麦立强,1975年12月出生于河南周口,武汉理工大学材料学科首席教授,材料科学与工程学院院长,中共党员。2004年获武汉理工大学材料学博士学位,随后在武汉理工大学工作。2006年起在佐治亚理工学院(2006-2007年)、哈佛大学(2008-2011年)、加州大学伯克利分校(2017年)作为博士后、高级研究学者开展合作研究。2014年获国家杰出青年科学基金资助;2016年入选长江学者特聘教授、“万人计划”科技创新领军人才,获中国青年科技奖、光华工程科技奖(青年奖),任国家重点研发计划纳米重点专项专家组成员;2018年获国际电化学能源大会卓越研究奖(每年仅授两人);2019年入选英国皇家化学会会士和科睿唯安全球高被引科学家,获国家自然科学二等奖;2020年获何梁何利基金“科学与技术创新奖”。

2017年6月,基于在纳米能源领域取得的一系列有重要国际影响力的成果,麦立强受国际顶尖期刊《自然》杂志邀请,发表了《实时监测电池退化》专题评述论文,该论文引起了广泛的社会关注,在当月《自然》阅读量中排名前三十,麦立强这个名字也迅速为人熟知。

麦立强指导实验室博士研究生做实验

其实,早在2010年,麦立强就开始在纳米储能材料与器件研究方面崭露头角。当时,他在《纳米快报》上发表的研究论文《单根纳米线电化学器件》被自然亚洲材料网站专题报道,并受到了诺贝尔化学奖得主、锂离子电池先驱古迪纳夫、威廷汉姆等著名学者的瞩目和肯定。在他之后的研究生涯,教育部长江学者特聘教授(2016)、国家自然科学二等奖(2019)、何梁何利基金科学与技术创新奖(2020)等一系列标签都标志着他在纳米能源领域的卓越成就。

29岁博士毕业,32岁破格晋升教授,39岁获国家杰出青年科学基金资助,不得不说,麦立强的人生是带有一些传奇色彩的。而在这背后,人们所看不到的,是每天工作超过十四个小时的“拼命三郎”,是敢为人先攻坚“卡脖子”科学难题的开拓进取,是以科研报国为己任的家国情怀。

创世界纪录,首个单根纳米线电池器件问世

2007年,麦立强率先通过锂离子预嵌入实现电极材料电输运性能和循环稳定性的大幅提升,这一成果发表在国际著名期刊《先进材料》上,成为武汉理工大学第一篇发表于该期刊的论文,这一成果得到了国际纳米领域专家的认可。凭借该成果,麦立强敲开了世界顶级学术殿堂哈佛大学的大门。2008年6月,麦立强以高级研究学者身份进入哈佛大学跟随合作导师开展研究工作。那时,我国在纳米器件研究领域与国外存在巨大差距,麦立强立志突围国外的技术封锁,特别是要满足我国大规模储能等战略新兴产业的迫切需求!

“麦老师洞察力敏锐、胆大心细,勇于突破既定研究模式,是个很有魄力的人。” 留校任教的武汉理工大学教授徐林给我们讲起麦立强的留学故事。“麦立强敢于打破常规,率先提出了构筑单根纳米线电化学器件原位研究容量衰减机制的想法,这一想法得到了合作导师的肯定和赞赏。在哈佛大学留学期间,为了制得好的纳米器件,麦立强把实验室当成家,抛开吃饭睡觉洗漱的6小时,余下时间都泡在实验室做实验,为节省时间,麦立强曾连续几个月以速冻饺子、方便面等速食充饥,经常工作到凌晨。”

这中间也经历了无数失败,麦立强回忆那一段难忘时光:“电化学信号有时不稳定,有时测不出来,测出来又无法解析”。经过1000多个日夜的不懈努力,实验终于获得重大突破,他与合作者成功设计组装了世界上第一个仅用单根纳米线作为工作电极的固态电化学器件,实现了在电化学过程中对电池材料的原位检测,还避免了其他组分的影响,证明了结构劣化、电极-集流体接触变化和电导率下降是造成电化学储能材料容量衰减的本质原因,有效解决了长期制约高性能储能器件发展的容量衰减机制不明的国际难题。在此基础上,他进一步推广和验证了单根纳米线器件表征材料电化学过程模型的普适性,推动了能源材料的基础理论研究与发展。麦立强因此获国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖(每年仅授两人),被誉为纳米新能源领域新秀,逐渐走上国际纳米舞台。 

解科学难题,分级策略颠覆传统思路

“通常来讲,纳米材料由于比表面积大、表面能高,更容易发生自团聚和结构劣化,这也是前期研究单根纳米线发现的又一难点。”麦立强瞄准这一科学前沿进行难点攻关,通过广泛调研和理论分析,提出如果能像树干和树枝一样,在纳米线主干上生长另外一种纳米线材料,可以在界面处分散离子脱嵌造成的应力集中,有望大幅提升结构稳定性。

然而受传统技术限制,分支纳米线的原始材料引入后,会自发地以壳层的形式紧密包覆在主干纳米线上,无法形成纳米线分支,实验一筹莫展。麦立强和他的团队并未气馁,为了攻克这项科学难题,麦立强经常通过多种方式请教纳米合成领域的专家,通宵达旦尝试各种合成方法,调整各项性能参数。数月之中,麦立强日渐消瘦,但他暗下决心,一定要攻克这个难关,为我国的纳米科技发展做出脚踏实地的贡献。

在参与本课题的骨干赵云龙同学将首次得到的分级异质纳米线的扫描电镜图片发送给麦立强时,他兴奋不已,但他又发现该材料循环性能仍然差强人意,离实际应用仍有较大差距。麦立强一直坚持科学研究既要上书架,也要上货架,于是他和学生继续夜以继日地攻关电极材料循环稳定性的问题,最终探索出改良的冷凝回流技术,终于实现了循环稳定性的显著提升。

这一工作发表在国际知名学术期刊《自然—通讯》上,并被该刊选为特色论文。基于该成果,麦立强应国际著名综述期刊《化学评论》邀请撰写了长达34页的专题综述,被选为封面,入选全球基本科学指标数据库(ESI)前千分之一的热点论文。分级策略的思想和方法被国际多个课题组跟踪报道并广泛采用。基于分级纳米线的设计思想,麦立强带领团队进一步开发了梯度静电纺丝普适性方法,成功实现20余种高性能分级纳米线材料的制备,被德国洪堡大学化学系主任皮纳教授评价为“重大进展”、“超常提升的性能”和“巨大的应用潜力”。 

瞄准实际应用,双连续输运助力高性能电池启航

“在新能源储存过程中,存在一个共性问题,即由于快速的电子传导和离子扩散难以兼顾,使得电化学反应动力学普遍偏慢”。解决这一科学难题对于科学研究和产业化实践都具有深远意义,这是麦立强团队近年来潜心钻研的重点。

麦立强凭借着固体离子学和传质学方面的理论基础,发现紧密包覆会阻碍电解液中离子在电极材料中的扩散。为了解决该传统难题,他提出电子传导/离子扩散双连续通道的新概念——构筑导电材料非紧密包覆的纳米线复合材料。

麦立强带领团队进行大量实验,调试每一步的实验参数。开始时,导电材料一经添加,立即紧密包覆到纳米线材料上,大家开始有些泄气。麦立强经历多年的科研磨砺,内心明确:越是重大的课题,越是探索深入的科学机理,越会遇到多于常人的挫折,需要跨越更高的门槛。他抱着不到黄河不死心的决心,带领着团队继续攻坚克难。终于,他创新性地提出了“取向组装”和“自卷曲”生长机制,设计构筑出具有电子/离子双连续输运特性的同轴半中空纳米线,其电导率提升27倍,构筑的储能器件在保持高能量密度的同时功率密度提高6倍。

该成果被澳大利亚工程院院士、伍伦贡大学窦士学教授评价为“目前只有麦立强这一项工作成功合成了半中空结构纳米线材料”。此外,麦立强2007年在《先进材料》上发表了关于预锂化优化策略的研究论文,从本征属性实现了电子/离子的双连续输运,随后被诺贝尔化学奖得主威廷汉姆和德国戴姆勒股份公司等引用和广泛关注。直到今天,宁德时代、比亚迪等新能源领域知名公司和企业广泛使用了预锂化技术。

麦立强在纳米线储能材料与器件方面的系统研究,被国际顶尖期刊《科学》等重点引用,被40余部权威工具书和材料学专著收录。他受邀在科学出版社出版专著《纳米线储能材料与器件》,被科学出版社誉为“国内外第一本专门总结纳米线储能材料与器件从理论到应用的专著”,中国科学院院长白春礼院士、英国皇家工程院院士逯高清教授为此书作序。麦立强也因此获中国青年科技奖,入选英国皇家化学会会士、科睿唯安全球高被引科学家。

麦立强响应习总书记号召,十分注重自主知识产权与产业开发。近20年来麦立强研究成果的积累,获得100余项中国发明专利,丰富了我国自主知识产权的纳米能源理论及产业化技术体系,为我国的能源事业提供了有力的支撑。突破了产业化关键技术,成立公司,率先实现了新一代高性能纳米线动力电池的规模化制备和应用,与东风公司等国内知名企业签订协议进行成果转化,推动了我国纳米新能源材料与器件领域的发展。麦立强也因此获得光华工程科技奖(青年奖)和中国产学研合作创新奖。

20余年如一日地奋战在科研一线,常年的劳累使得“颈椎疼痛”成为了麦立强最“亲密”的“工作伴侣”,但到现在,武汉理工纳米实验室201办公室的灯光依然每天亮至深夜,里面时常听到他和学生们热烈的讨论。麦立强平易近人,特别喜欢听学生讲对于科学问题提出的新思想,他鼓励学生汇报工作、畅所欲言。有些想法可能太过天马行空,略显稚嫩,但他从不苛责,而是给予耐心的指导,鼓励和引导他们形成原创思想。这种开放思维的教育对学生的成长大有裨益,如今,他培养的学生在各自的领域取得突出的科研成果,在国际著名期刊《自然—能源》、《自然—纳米技术》等发表文章,部分学生已在国内外知名高校和科研单位如英国国家物理实验室、滑铁卢大学、厦门大学等任职,培养的优秀学生赵云龙受到习总书记亲切接见。“大国竞争归根到底也是人才的竞争,为我国培养一批纳米科技和新能源材料领域的高水平优秀人才我责无旁贷”。麦立强说的每一个字都掷地有声。

苦心人,天不负。2020年1月10日,麦立强牵头完成的“高性能纳米线储能材料与器件的制备科学和输运调控机制”项目荣获2019年度国家自然科学二等奖,他作为获奖代表之一上台接受党和国家领导人颁奖。麦立强和他的团队正迎着灿烂的曙光,肩负重任,在纳米能源材料领域中稳步前行,向着更加宏伟的目标迈进!

文/戴宇航、何泽

图片来源:武汉理工大学材料科学与工程学院

编辑:许亚岚


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