追求无界 登攀不息

——记清华大学“身边榜样”、能动系博士生曹天宇

曹天宇在实验室 

投身燃料电池研究之路

曹天宇的博士课题研究对象是直接碳燃料电池，一种能够在高温下 (700-900℃) 通过电化学反应把煤炭中的化学能直接转化为电能的发电设备。因为燃料电池中的陶瓷电解质隔膜把煤炭与空气隔绝开来，所以发电过程中没有剧烈发光发热的燃烧反应，减少了粉尘、氧化硫与氮氧化物的排放。

国家统计局数据显示：2017年我国能源总消费达44.9亿吨标准煤，其中煤炭占到一次能源消费总量的63%。分散使用的煤炭（散煤）虽然仅占煤炭消费总量的1.5%左右，但是散煤消费产生的污染物达到煤炭源污染物排放的 50%以上。直接碳燃料电池能够有效控制散煤消费造成的污染，是解决我国能源环境问题的关键技术装备。

燃料电池的稳定性是曹天宇研究中的重要方面。此前，美国工程院院士，宾夕法尼亚大学雷蒙德·高尔特（Raymond J. Gorte）教授认为直接碳燃料电池中的熔融锑碳转化电极会腐蚀电池核心部件——陶瓷电解质隔膜。但是曹天宇在研究过程中发现：液态锑金属与电解质的反应情况不仅与陶瓷组成成分有关，还与电解质的制备工艺有关，部分实验中没有观测到锑电极对电解质的腐蚀。为此，他专门向高尔特教授请教这一问题，但是经过几番讨论，曹天宇发现现有文献中对金属锑与陶瓷间反应情况的报道属于空白，需要专门设计实验来研究电极与陶瓷电解质之间的作用机理。

为了明确金属锑电极与电解质之间的反应机理，曹天宇申请了清华“博士生短期出国访学基金”，前往高尔特教授实验室开展联合研究。在这期间，通过不同的技术路线制备了多种陶瓷电解质，并进行了标准化的长周期电化学腐蚀特性测试。在单次长达200小时的测试中，需要每6小时测试一次电池的阻抗以确定电解质的厚度。

曹天宇在博物馆

在那段时间里，实验成为了指令作息的精确时钟：早上来到实验室要测试一次，午饭前后要测试一次，晚饭之后一次，午夜离开实验室一次。在测试的间隙中，他紧锣密鼓地分析处理数据，与教授讨论，以确定下一步的实验方案。幸运的是，几个月的辛劳终于换得了实验成果：液态锑金属主要通过陶瓷电解质的晶界向其内部迁移，迁移的金属打断了陶瓷晶粒之间的联系，最终造成了电解质解体。

在先前的文献中，部分批次的电解质烧制温度较低，晶粒较小，因此腐蚀速率较快；而另一些批次的电解质烧制温度较高，晶粒长大，所以腐蚀速度慢，难以直接观测。这一理论不仅揭示了熔融锑电极与电解质陶瓷之间的反应机理，还解释了此前文献中报道的实验现象，统一了领域内的分歧。为此他们联合发表了学术论文。

阻碍燃料电池实用化的另一个主要因素是其高昂的制造费用：为了保证高温下的强度，目前多数研究者都采用金属陶瓷电极或电解质陶瓷作为支撑体，把大量的功能材料浪费在加强结构上。为了降低制造成本，曹天宇选用不锈钢作为支撑体，采用等离子喷涂技术添加燃料电池所需的功能层。等离子喷涂通过等离子体火焰熔融陶瓷粉体，融化的陶瓷液滴随后撞击不锈钢支撑体，最终在支撑体上凝固形成陶瓷薄膜。由于经历了剧烈的融-凝过程，陶瓷内部的晶粒间存在强烈的压应力，使得晶粒之间的结合更为紧密。因此，等离子喷涂不仅能够实现燃料电池的批次化生产，还能沉积稳定耐蚀的电解质隔膜，是一种可行的高温燃料电池制造路线。

为了学习等离子喷涂技术，他前往美国南卡罗莱纳大学，那里有一台西门子公司燃料电池部门使用过的旧喷涂系统。在访学期间，曹天宇守在系统旁，翻阅系统手册，查看技术资料，边学习，边修理，边试验。机械手操作、喷枪维护、工装夹持、除尘器检修都成了他的必修课。最终，他打通了等离子喷涂制备高温燃料电池工艺路线，目前已经在国内成功落地。

明确电化学界面反应机理是提高燃料电池性能的重要途径。但是，高温燃料电池系统在线观测困难，实验手段选择受限，反应机理鉴别缺乏直接的证据。为了找到能够在线表征高温燃料电池电极反应的仪器，曹天宇走访了很多科研单位，拜访了多位老师，得到的结果却是：高温在线表征系统需要几百万人民币，完全依赖进口，目前在国内基本属于有价无市的状态。但是在走访过程中，他看到了老师们对在线表征手段的热情和企盼，有几位老师还表示如果愿意研制这样的系统，他们可以提供技术上的支持。

既然买不到，就造一台出来！曹天宇从此开始了驻厂的生活：盯着厂长要寻求支持，商议合作；缠着总师讨论设计，敲定工艺；陪着工人加工组装，调试质检。他注视着产品，厂里的人们也在注视着他，当看到他住职工宿舍之后，当发现他吃厂办食堂之后，当与他促膝相谈之后，工人们放下了心结，给他提出了无数的宝贵意见，帮助他完成了第一套在线拉曼高温电化学表征系统。

目前，该系统的研发受到学校相关机构的支持，正在向集成化、自动化的方向努力。

博士生涯收获成长

通过自己的研究经历，他意识到规划的重要性，古人讲“预则立，不预则废”。他认为凡事要规划在前面。读博士有很多关键的环节，要把每个环节做好才能达到毕业的要求。对于平时做研究，要首先搞清楚为什么要做这个研究，有哪些关键的科学问题，这个技术路线在理论上能不能行得通，又有哪些可能的难点需要做准备。这些问题可以通过检索文献、请教导师、求助师兄师姐、跟专业人员交流等办法摸清楚。只有摸清八九成才能对整体的研究进度有所把握。

读博士不比读其他学位，没有一位老师手把手地传递知识。特别是研究学科前沿的课题，往往没有经典的教科书可供参考。那就需要努力地学习，曹天宇认为，学习不只是从书本上学习，还要从文献里学习，从网络上学习，从专业人士（专家、工程师、外国同行）那里学习。要做个有心人，要保持旺盛的求知欲望。单打独斗会增加读博士的难度。课题遇到了困难他一定要寻求帮助，积极向身边的各种人学习，包括导师、课题组里的同学和其他学者。在他看来，只有主动寻求帮助，才能集思广益。

曹天宇对于实验的现象、计算的结果都进行了仔细观察分析。有哪些是意料之中的，哪些是意料之外的，都要分门别类地归纳好。有意料之外的奇怪现象要仔细调查挖掘，不能含糊了事。

做过的实验有哪些条件还要控制好，还需要哪些表征手段，还需要进一步做哪些工况都要总结清楚。实验应该边做边记录，数据要及时整理，表征出来的图片和图谱要马上处理比对。

遇到答辩和学术报告的情形，要仔细准备——学术交流是对研究的阶段性总结，可以帮助指明下一步的研究思路。老师和专家提的问题要记录下来，事后可以与导师进一步分析讨论，完善今后的研究。

（清华新闻网5月31日电）

供稿：能动系

编辑：宋亮 李华山 曲田

审核：周襄楠