“表界面电化学重点实验室”是在前期校级“再生资源化工新技术重点实验室”和“必赢中国官方网站-华盛顿大学(UW)纳米及能源新材料联合实验室”的基础上组建而成。
近年来,本实验室围绕国家“十四五”规划纲要创新驱动高质量发展和广西“工业强桂”、“绿色发展”等战略导向,本着“自主创新、重点发展、服务广西经济”的方针,针对广西可再生能源、新能源汽车、电子信息、及有色金属资源等领域的关键科学技术需求,结合实验室自身的基础和优势,围绕表界面电化学中的核心科学问题,开展面向应用的基础科学研究工作,强化原始创新和集成创新,促进我区技术经济发展。
1.科学内容(该实验室拟解决的主要科学问题)
表界面电化学是研究物质界面物理、化学作用和能量传递、转换的交叉学科,是解决能源、材料、环境、信息以及生命健康等国家重大需求的科学基础。表界面电化学重点实验室主要围绕无机/有机半导体材料的表面光/电催化反应机理、水分解制氢、载流子分离与能量输运效率等开展基础与应用基础研究;电极活性材料表界面组成与结构退化、电解液副反应、热稳定性及能量转化效率;铝镁金属及其合金、钢铁等的表面化学稳定性与功能化应用开展腐蚀与防护、耐磨与润滑以及电容特性,为广西可再生能源、新能源汽车、电子信息、港口建设及有色金属资源产业的可持续发展提供理论与技术支撑。
2.教育贡献(高校学科建设、专业建设、人才培养等方面的贡献)
为深入贯彻落实习近平总书记对广西教育和科技工作系列重要指示精神,助力实现“碳达峰、碳中和”目标,针对广西在特色金属资源、汽车工业、冶金及新能源、新材料等产业领域的关键重大技术需求,结合实验室长期以来在表界面科学研究领域形成的特色和优势,组建“表界面电化学”重点实验室,这有利于强化化学基础科学研究,优化产教融合体制机制,支撑我校新能源动力电池现代产业学院培育建设,大力促进高校与产业紧密联系,提高学科建设、专业建设、人才培养与社会的契合度,为培养国家和“泛珠三角”地区经济建设与社会发展所急需的高素质创新人才提供良好的支撑平台。
在学科建设方面,本实验室兼顾应用基础和产业技术研究,在积极承担国家和自治区基础研究课题的同时,面向自治区重大战略需求,承担新能源开发与有效利用、节能减排、产业结构调整等战略关键技术研究课题,力争短期内形成在国内具有学术影响力的研究团队,为化学一流学科及博士点建设提供有力支撑。目前,已支撑我校获批了广西区“应用化学”重点学科。
在专业建设方面,本实验室的三个特色方向瞄准当今乃至未来新能源领域的关键核心科学技术问题,注重学科交叉创新,与当今主流的新能源产业具有极其紧密的关联,可切实加快产业链与创新链双链融合,完整体现了“新工科”建设的基本内涵。因此,建设本实验室有助于优化高等教育布局结构,对能源化学工程等相关新工科专业具有极其显著的促进作用,建成鲜明的专业特色,是我区高校专业群建设规划的重要拼图。目前,本实验室已支撑我校获批“应用化学”和“化学工程与工艺”国家级一流本科专业建设点。
在人才培养方面,本实验室的特色就是多学科交叉的关键切入点——表面电化学和界面材料工程,因此建设本实验室能有效促进广西在化学、化工、能源、材料等相关领域形成比较完整的科学研究和技术开发体系,都有助于深化高水平人才跨学科交叉培养,构筑开放融合的创新型人才培养平台,推进人才培养模式改革,提升创新和实践能力,从而为广西产业、经济、教育、社会创新发展提供人才支撑。近五年在本实验室特色方向已经毕业了本科生400余人,研究生60余人。历年来涌现出了国家杰出青年基金获得者武汉理工大学教授麦立强、国家杰出青年基金获得者华南理工大学教授张勤远、中恒集团梧州制药董事长焦明、上海药明康德副总裁孙洪业等多名杰出校友,在国计民生的关键行业中做出较显著贡献。
3.国家和地方发展的支撑(对国家和地方经济、社会发展的作用)
(1)广西高校现有物理、化学、生物、能源、材料、电子信息、医药等重点实验室,涉及的研究学科领域不能满足广西在能源、化工和材料等领域的核心关键技术需求。本实验室围绕表界面电化学开展基础性研究,能够促进广西在可再生能源转化、储存和金属材料表面功能化等方向形成比较完整的科学研究和技术开发体系,为广西产业、经济、社会高质量发展提供理论支撑。
(2)针对广西“14+10”千亿元产业发展在有色金属资源、新能源和新材料等方面的重要课题和关键技术需求,开展表界面电化学研究,为解决国家和广西面临的能源紧缺、环境污染、产业结构调整、区域经济发展等提供可靠的技术支撑。
(3)通过建设,使实验室在平台手段、科研团队、人才培养、校企协同创新、管理机制等方面形成集成优势,为广西“百亿强企、千亿跨越、大企业、大集团”工业强桂战略提供持续的动力和高水平人才保障。
4.国内外该学科(领域)最新进展,发展趋势、应用前景
“表界面化学”的主要研究内容包括表界面结构与表界面反应,表界面电子性质, 原子/分子与界面的相互作用,以及发生在表界面的分子间相互作用、离子迁移、电子转移和能量传递等。该学科的主要研究任务是瞄准与复杂体系表界面密切相关的关键科学问题,从分子、原子和电子层次深入理解表界面物理化学的本质,建立结构与性能的关系,理性设计具有特定功能的结构和催化与表界面体系。
“表界面电化学”是电场下的表界面化学,主要关注电极/电解质界面研究,主要涉及固/液、固/固和气/液/固三相界面,界面条件相对复杂,需要建立和发展在分子水平上检测电化学界面反应过程的原位谱学方法。结合统计力学和量子力学,电化学基础研究正向微观结构和分子/原子层次深入,更加注重电化学界面的结构细节和电化学过程的单分子事件。研究内容聚焦到“电极表界面”这一核心概念;研究体系从简单模型到复杂真实体系;研究过程从静态、稳态和平衡态到动态、瞬态和非平衡态;研究深入到纳米/团簇和分子/原子的微观尺度及飞秒/阿秒的超快过程;理论与实验结合更加紧密,学科交叉融合特征更加明显。
现代表界面电化学体系中,电化学界面发生了很大变化,电解质更多的是全固态和半固态,而非传统的液态。这些新型界面的微观结构、动态演化规律以及构效关系,均未被深入认识。这是现代电化学研究面临的机遇和挑战。近年来,仪器方法(例如同步辐射光源和电镜技术)和理论计算(第一性原理计算、多尺度模拟、机器学习等)发展迅速,表界面电化学研究前沿越来越多地聚焦于原位条件下从分子层面对电化学界面的深入剖析,揭示其构效关系,特别是工况条件下的电化学过程。在此基础上,通过提出新概念和发展新方法和新理论,与不同学科交叉融合,使电化学理论框架和知识体系逐步统一和完善,进而推动电化学技术创新。
除了能源电化学(包括锂离子电池、燃料电池、水电解、超级电容器等),近年来电化学合成与物质转化得到迅猛发展,电化学方法与有机合成的结合产生了一系列新颖的合成路线和独特的反应选择性;电化学CO2还原转化成为研究热点,将有力助推我国“碳中和”目标的实现。
表界面电化学领域发展的另一个特点是,基础前沿探索研究和创新技术开发的同步开展,使基础与应用、科学与工业的联系更加紧密,为解决行业中的卡脖子问题提供科学与技术支撑。新时代表界面电化学研究秉承“绿色碳科学”理念,优先开展能源、界面制造和界面功能材料的基础性研究,注重新能源的探索和环境保护,加强可再生资源及二氧化碳资源化高效利用;注重量子信息材料与芯片制造过程的表面化学基础研究。促进从基础到应用的贯通式研究,为实现“碳达峰”和“碳中和”目标以及国家战略技术储备和社会可持续发展做出重要贡献。