和用來(lái)制造餐具、工藝品等生活用品的傳統(tǒng)陶瓷不同，先進(jìn)陶瓷因具備*的性能，在航空航天、電子信息、生物醫(yī)療、新能源等高科技領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

其中一個(gè)與大家日常生活相關(guān)的典型案例，便是種植牙中使用的人工材料——氧化鋯陶瓷。

將這種白色的晶體粉末加工成型并燒結(jié)致密化，使其中的殘余氣孔和缺陷降至*低，氧化鋯陶瓷才能實(shí)現(xiàn)光學(xué)上的半透明狀態(tài)，從而像天然牙齒一樣具有光澤。

其中，需要說(shuō)明的是，由于陶瓷的絕大多數(shù)性能，都與其殘余氣孔和缺陷呈強(qiáng)相關(guān)，因此材料是否致密，對(duì)于它的使用來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

清華大學(xué)助理教授董巖皓，自本科以來(lái)一直在從事包括氧化鋯陶瓷在內(nèi)的無(wú)機(jī)非金屬材料研究，主要聚焦陶瓷燒結(jié)和微結(jié)構(gòu)方向，攻克了陶瓷微結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域存在的多個(gè)難題。

博士后時(shí)期，他選擇了交叉學(xué)科陶瓷材料研究，以能源陶瓷材料為主，在陶瓷質(zhì)子膜燃料電池、高比能鋰離子電池正極材料等領(lǐng)域取得了突破。

具體來(lái)說(shuō)，在陶瓷質(zhì)子膜燃料電池領(lǐng)域，他與合作者提出界面反應(yīng)燒結(jié)概念，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了可控表面酸處理和共燒技術(shù)，刷新了其工況條件下峰值功率密度的世界紀(jì)錄。

在鋰電正極領(lǐng)域，他與合作者提出滲鑭均勻包覆和陶瓷粉體行星式離心解團(tuán)等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，闡述了應(yīng)力腐蝕斷裂主導(dǎo)的衰減機(jī)理，并修正傳統(tǒng)理論框架下的脆性機(jī)械斷裂認(rèn)知。

憑借致力于通過(guò)創(chuàng)新的陶瓷制備理論和技術(shù)，提升先進(jìn)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)功能特性和極端條件適應(yīng)性，以開(kāi)發(fā)出具有高可靠性和多功能化的新型陶瓷材料，董巖皓成為 2023 年度《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國(guó)入選者之一。

提出界面反應(yīng)燒結(jié)概念，改善陶瓷質(zhì)子膜燃料電池的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性

陶瓷質(zhì)子膜燃料電池/電解池，是氫能技術(shù)中一個(gè)與陶瓷相關(guān)的核心器件。

它可以提供 400 至 600 攝氏度的中溫區(qū)應(yīng)用，用于化學(xué)能和電能之間的可逆轉(zhuǎn)換，具有高效率、零排放和催化劑選擇靈活等優(yōu)勢(shì)。

也就是說(shuō)，作為燃料電池，其可以用化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行發(fā)電；作為電解池，則可以把電用于化學(xué)合成和物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

雖然陶瓷質(zhì)子膜本身具有良好的質(zhì)子電導(dǎo)率，但在將它集成到燃料電池或電解池器件時(shí)，卻往往無(wú)法充分發(fā)揮其本征性能。不僅如此，在大電流密度電解的工況條件下，器件的性能還會(huì)迅速衰減。

“因此，在材料和器件的研究與應(yīng)用中，我們需要關(guān)注兩方面問(wèn)題。一是初始性能，二是長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性�！倍瓗r皓表示。

在研究中，他與合作者發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致上述問(wèn)題出現(xiàn)的原因在于，器件中氧氣電極層和電解質(zhì)層界面處燒結(jié)困難，界面接觸和結(jié)合不好。

針對(duì)此，他們提出界面反應(yīng)燒結(jié)概念，并對(duì)包括陶瓷制備和燒結(jié)在內(nèi)的一系列技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新，讓氧氣電極層和電解質(zhì)層之間實(shí)現(xiàn)活性鍵合，以改善陶瓷質(zhì)子膜燃料電池/電解池器件的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性[1]。

從效果上看，該器件在低至 350 攝氏度時(shí)仍具有*的性能，同時(shí)能夠在 600 攝氏度、450 攝氏度和 350 攝氏度的條件下，分別實(shí)現(xiàn)每平方厘米 1.6 瓦、每平方厘米 650 毫瓦和每平方厘米 300 毫瓦的峰值功率密度。

另外，在 600 攝氏度和 1.4 伏特條件下進(jìn)行電解操作時(shí)，能保持超過(guò)每平方厘米 3.9 安培的高電流密度，并且處于穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

該成果對(duì)陶瓷質(zhì)子膜燃料電池/電解池器件未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，起到明顯的促進(jìn)作用。

回顧該研究中令人難忘的往事，董巖皓表示，自己不是專(zhuān)攻陶瓷質(zhì)子膜燃料電池/電解池領(lǐng)域的專(zhuān)家，很多知識(shí)是在與合作者共同研發(fā)的過(guò)程中學(xué)習(xí)到的。

在論文撰寫(xiě)過(guò)程中，董巖皓提出了一種新的數(shù)據(jù)分析策略，而對(duì)于所提出的這套分析方法能否獲得該領(lǐng)域內(nèi)審稿人的認(rèn)可，他起初是存有疑惑的。

“直到論文被投遞至 Nature，審稿人在原創(chuàng)性和重要性層面對(duì)我們的研究工作和數(shù)據(jù)分析做出高度評(píng)價(jià)時(shí)，我才進(jìn)一步確定，這個(gè)與該領(lǐng)域主流不同的視角，恰恰是文章能夠發(fā)表的核心因素之一�！彼�說(shuō)。

提出多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，攻克鋰離子電池氧化物正極失氧挑戰(zhàn)

因具備超高的能量密度，鋰離子電池如今已被用于移動(dòng)電子產(chǎn)品、電動(dòng)車(chē)、儲(chǔ)能等諸多行業(yè)領(lǐng)域。

它之所以擁有上述優(yōu)勢(shì)，核心因素在于很高的電壓和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，而這主要依賴(lài)鋰離子電池的正極材料。

例如，通過(guò)對(duì)氧化物正極材料中氧化還原電位、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分等層面的設(shè)計(jì)，鋰離子電池能夠在幾百甚至幾千次的充放電循環(huán)內(nèi)，始終提供足夠高的能量密度。

然而，由于電化學(xué)上的高電壓對(duì)應(yīng)的是化學(xué)上的強(qiáng)氧化性條件，因此隨著鋰離子電池的工作電壓越來(lái)越高，鋰電正極氧化物中的氧離子也會(huì)變得熱力學(xué)不穩(wěn)定，并傾向于以氣體形式逸出。

“高電壓誘發(fā)氧釋放會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。比如，氧氣會(huì)和電池的電解液發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)電解液被消耗完畢，電池也就無(wú)法再使用；對(duì)于軟包電池而言，氧氣將有機(jī)電解液氧化之后，會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，導(dǎo)致電池體積膨脹，也就是我們常說(shuō)的‘鼓包’�！倍瓗r皓解釋道。

基于此，在不斷發(fā)展高電壓、高能量密度的鋰離子電池的過(guò)程中，必須解決氧化物正極失氧這一問(wèn)題。

對(duì)此，董巖皓與合作者提出一種鑭化工藝，可以調(diào)控能量材料近表面結(jié)構(gòu)，超越傳統(tǒng)的表面摻雜方法[2] 。

他們以鋰離子電池中常用的正極材料氧化鋰鈷為例，展示了有效的表面鈍化、抑制表面退化，以及改善的電化學(xué)性能，證明其高電壓穩(wěn)定循環(huán)*高可以達(dá)到 4.8 伏。

他們所設(shè)計(jì)的新的表面相，能夠在高電壓下阻止氧氣逸出反應(yīng)。

“除此之外，我們還可以從鋰離子電池正極材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)出發(fā)，來(lái)解決它的失氧問(wèn)題。”董巖皓表示。

單晶富鋰錳基正極材料，是一種理想的高性能電極材料，但要想規(guī)�；�生產(chǎn)具有高相純度、優(yōu)良電化學(xué)性能的單晶富鋰錳基正極，仍然面臨較大挑戰(zhàn)。

為解決這一問(wèn)題，董巖皓又與合作者開(kāi)發(fā)了一種新型機(jī)械化學(xué)活化工藝，基于界面反應(yīng)潤(rùn)濕和共晶鋰鹽晶界腐蝕的機(jī)理，通過(guò)溫和的行星式離心解團(tuán)工藝，獲得了均勻分散在鋰鹽基體中的過(guò)渡金屬氧化物前驅(qū)體。

這種方法能夠分散多晶前驅(qū)體，并在促進(jìn)良好發(fā)育的單晶形態(tài)的同時(shí)，改進(jìn)了單晶富鋰錳基正極材料的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性[3]。

期待基于陶瓷材料開(kāi)發(fā)更多能源解決方案，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)

實(shí)際上，從材料分類(lèi)的角度來(lái)看，應(yīng)用于陶瓷質(zhì)子膜燃料電池的核心陶瓷材料是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物陶瓷，應(yīng)用于鋰離子電池正極的叫做層狀結(jié)構(gòu)氧化物陶瓷。

這兩種材料在材料屬性和整個(gè)制備工藝流程上，都具有諸多共同點(diǎn)。

正是基于基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的共通，再加上董巖皓對(duì)于材料基礎(chǔ)理論的理解，才讓他得以在這兩個(gè)看似差異較大的領(lǐng)域，都做出了突破性成果。

談及研究上述領(lǐng)域的初衷，董巖皓表示：“它們都是和能源相關(guān)的領(lǐng)域。在我看來(lái)，能源問(wèn)題是我們這個(gè)時(shí)代的青年面臨的一個(gè)全球性挑戰(zhàn)。我希望能夠通過(guò)自己的努力，在專(zhuān)注陶瓷材料研究的同時(shí)，提出與之相關(guān)的能源解決方案，從而助力實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)�！�

目前，董巖皓主要致力于研究高可靠性和多功能化的新型陶瓷材料，既希望能夠通過(guò)微觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、塑性變形響應(yīng)等層面，提高先進(jìn)陶瓷材料的可靠性，又期待將具有力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等功能特性集成到同一個(gè)材料中，以創(chuàng)造出更多新的應(yīng)用場(chǎng)景。

據(jù)介紹，董巖皓出生于安徽省舒城縣，2012 年本科畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系，后赴美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)攻讀材料學(xué)博士學(xué)位。

2017 年，他來(lái)到美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)展博士后研究，并從 2022 年 7 月起入職清華大學(xué)材料學(xué)院，擔(dān)任助理教授。

回想讓自己印象*深刻的科研經(jīng)歷，董巖皓表示是博士期間研讀一篇論文，*初雖然覺(jué)得很有價(jià)值，但并不能真正讀懂，后來(lái)經(jīng)過(guò)一年多的反復(fù)閱讀，終于在某一天頓悟，并給自己日后的研究帶來(lái)了很大的影響。

其實(shí)，每個(gè)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，都免不了會(huì)遇到相似的瓶頸時(shí)期。

根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，董巖皓也給出了如下建議。

首先，要滿(mǎn)懷信心地堅(jiān)持自己所選擇的事情，不能一碰到困難就打退堂鼓。

其次，要多從基礎(chǔ)教育中尋找力量，來(lái)幫助自己把手頭上的工作做得更穩(wěn)、更深。

例如，“有志者，事竟成”，是大家從小就熟知的一句古文。

在董巖皓看來(lái)，其中的‘志’，其實(shí)是一個(gè)內(nèi)涵豐富的概念，不僅包括對(duì)未來(lái)的雄心壯志，還包括自身的勇氣、毅力，以及為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所付出的實(shí)實(shí)在在的努力。

“這是我*近共鳴*深的一句話(huà)，也期待它能給大家更多啟示�！倍瓗r皓如是說(shuō)。

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