本刊記者 王 輝

遇見(jiàn)電化學(xué)之美
——記重慶大學(xué)化工學(xué)院教授范興

本刊記者 王 輝

和學(xué)生一起討論（范興為左一）

電化學(xué)是一門與人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活息息相關(guān)的學(xué)科。人們不僅可以通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)獲取能源，還可將這一過(guò)程應(yīng)用于新型功能材料的研究。電化學(xué)專業(yè)出身的范興長(zhǎng)期以來(lái)在該領(lǐng)域勤勞耕耘，圍繞提高電反應(yīng)過(guò)程效率、開(kāi)發(fā)新型功能材料等方面不斷創(chuàng)新。

沒(méi)有付出，就沒(méi)有收獲。正是因?yàn)槎嗄陙?lái)在電化學(xué)領(lǐng)域辛勤的付出，才讓范興取得了令學(xué)界和媒體矚目的成績(jī)。

結(jié)緣電化學(xué)，開(kāi)展奇思妙想

與電化學(xué)的結(jié)緣可以追溯到范興上中學(xué)的時(shí)候。那時(shí)，數(shù)理化成績(jī)均出色的他對(duì)化學(xué)極其熱愛(ài)，尤其是他的中學(xué)化學(xué)老師對(duì)他十分支持，在高考填報(bào)志愿時(shí)給了他很多建議。于是在考上重慶大學(xué)后，范興便順理成章地進(jìn)入應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)。

電化學(xué)是應(yīng)用化學(xué)的一個(gè)分支方向，主要研究?jī)?nèi)容便是如何用電化學(xué)的轉(zhuǎn)化過(guò)程獲取能源，以及如何將其應(yīng)用于新型功能材料方面。在重慶大學(xué)學(xué)習(xí)了4年電化學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)后，范興于2000年考上了北京大學(xué)，從事高分子材料方向的學(xué)習(xí)。在此期間，卻意外地在電化學(xué)與高分子纖維材料方向之間碰撞出了思想的火花。

在北京大學(xué)跟隨導(dǎo)師鄒德春教授攻讀博士學(xué)位期間，范興從事的第一個(gè)創(chuàng)新研究是柔性纖維結(jié)構(gòu)電池的發(fā)明。2005年，范興在因循傳統(tǒng)平板疊層結(jié)構(gòu)光伏功能材料及器件研究了一段時(shí)間后，突然產(chǎn)生了一個(gè)新的想法。他說(shuō)：“傳統(tǒng)的平板疊層結(jié)構(gòu)光伏電池都是像玻璃窗一樣的結(jié)構(gòu)，難以折疊彎曲，在應(yīng)用方面存在著很大限制。而我想探索、研發(fā)一種柔性的、像紗窗結(jié)構(gòu)一樣的可折疊纖維功能器件，使其在日常的生產(chǎn)生活中應(yīng)用更加廣泛?！?/p>

想到即要做到。接下來(lái)的日子里，范興便全神貫注地投入到了這項(xiàng)在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)比較獨(dú)特的研究中。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的相關(guān)學(xué)術(shù)報(bào)刊上，都沒(méi)有報(bào)道過(guò)類似的研究。然而幸運(yùn)的是，2008年，范興發(fā)表了初步的研究成果，并引起了美國(guó)化學(xué)會(huì)等權(quán)威學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)的關(guān)注，專門在其一個(gè)名叫“Noteworthy Chemistry”的學(xué)術(shù)專欄中對(duì)他的研究成果進(jìn)行了報(bào)道。范興也憑借新型電池方面的研究成果在畢業(yè)之際獲評(píng)北京大學(xué)優(yōu)秀博士論文。

看到自己的科研成果引起國(guó)內(nèi)國(guó)際學(xué)界的注意，范興感到無(wú)比地興奮和開(kāi)心。但與此同時(shí)，他也面臨著畢業(yè)后的抉擇。在別人眼里，出國(guó)開(kāi)展博士后工作是一種熱潮，但范興卻更傾向于留在國(guó)內(nèi)?！耙?yàn)橹貞c是我的故鄉(xiāng)，而重慶大學(xué)是我的母校，我愿意回到母校，扎根在那里繼續(xù)我所熱愛(ài)的電化學(xué)領(lǐng)域研究?！?/p>

發(fā)明新材料，創(chuàng)新智能穿戴

團(tuán)隊(duì)研制的智能能源織物

電化學(xué)不僅可以應(yīng)用在新型功能材料研發(fā)方面，在很多奠定國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的重工業(yè)冶金行業(yè)中，也有著重要貢獻(xiàn)。2009年回到重慶大學(xué)后，范興緊接著開(kāi)展了他在提高化工行業(yè)電反應(yīng)效率方面的研究。的世界頂尖研究團(tuán)隊(duì)——王中林教授課題組進(jìn)行了為期一年的學(xué)習(xí)訪問(wèn)。期間，通過(guò)跟隨王中林教授學(xué)習(xí)納米發(fā)電技術(shù)，范興又產(chǎn)生了一個(gè)新的想法：過(guò)去，他發(fā)明的柔性纖維光伏電池曾引起人們的關(guān)注；如今，他想要在這一研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步同納米發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成可穿戴發(fā)電織物。

“傳統(tǒng)的光伏電池在陰天或室內(nèi)無(wú)法正常發(fā)電，而我在美國(guó)學(xué)到的納米發(fā)電技術(shù)正好可以彌補(bǔ)這一

在傳統(tǒng)的電反應(yīng)過(guò)程中，由于電極板局部電場(chǎng)線密集、微擾強(qiáng)烈等影響，普遍存在著電反應(yīng)過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離熱力學(xué)平衡狀態(tài)的現(xiàn)象，對(duì)化工行業(yè)的能耗、產(chǎn)品質(zhì)量造成了不利影響。然而，現(xiàn)有工藝研究對(duì)這一現(xiàn)象卻沒(méi)有廣泛重視。范興在重慶大學(xué)期間，通過(guò)走訪專家、學(xué)習(xí)新理論，從非線性動(dòng)力學(xué)理論源頭創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)電反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)化新技術(shù)。受之前工作的啟發(fā)，他首先引入高界面曲率纖維微電極，減少電反應(yīng)中湍流等因素的干擾，系統(tǒng)考察非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制；其次，他基于非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制對(duì)電反應(yīng)過(guò)程影響的深刻理解，建立起一套電反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)化集成技術(shù)，可顯著提高電化工行業(yè)的產(chǎn)品效益、降低過(guò)程能耗。他的成果在重慶許多大型資源礦廠企業(yè)得到應(yīng)用，并推廣到攀鋼集團(tuán)以及廣西中信大錳公司等。范興也因此榮獲2014年重慶市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

同時(shí)，正是基于“非線性電反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)化”對(duì)曲面自組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控，范興所在團(tuán)隊(duì)也開(kāi)發(fā)出了系列高性能的纖維功能新材料。在拓展材料新應(yīng)用的思考中，他也萌發(fā)了想要出國(guó)去看一看，了解國(guó)外最新材料技術(shù)進(jìn)展的想法。于是在2014～2015年期間，范興來(lái)到了美國(guó)佐治亞理工學(xué)院，在材料工程方面短板，如果將光能與機(jī)械能結(jié)合起來(lái)，并且以一種柔性的可穿戴織物材料的形式呈現(xiàn)，這樣一來(lái)，無(wú)論是在下雨還是晴天，人們穿戴上這樣的織物都可以隨時(shí)隨身發(fā)電。”

這一空前的設(shè)想令范興興奮不已。在美國(guó)訪問(wèn)結(jié)束后，范興馬不停蹄地回到國(guó)內(nèi)，全力開(kāi)展該方面的研究。他在之前纖維微電極技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了新型的飛梭編織技術(shù)，研發(fā)出一種可同時(shí)采集兩種形式能量的能源織物。其后，他還將光伏織物與纖維儲(chǔ)能元件編織在一起，形成可裁剪的采儲(chǔ)一體化織物。

2016年，范興和其團(tuán)隊(duì)圍繞“智能織物”所取得的系列成果得到了雅虎、新浪、搜狐等多家媒體報(bào)道。不僅如此，Nature還在“Research Highlights”專欄對(duì)此進(jìn)行了評(píng)述。美國(guó)化學(xué)會(huì)、美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)、華盛頓郵報(bào)及彭博社等多家單位和媒體也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)成果進(jìn)行了專門報(bào)道。這種智能織物有三大優(yōu)點(diǎn)：一是結(jié)合了太陽(yáng)能和機(jī)械能兩種形式來(lái)發(fā)電；二是具備持續(xù)的供電能力；三是既可以剪裁又可以隨身穿戴。這一成果使得范興及其所在的重慶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)外聲名大振。

談及智能可穿戴能源織物未來(lái)的發(fā)展用途，范興篤定地說(shuō)：“智能可穿戴能源織物的用途太多了，小到手機(jī)、智能手表等人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｓ秒娖?，大到?guó)防軍工、航空航天的精密設(shè)備，智能可穿戴能源織物未來(lái)的發(fā)展空間可謂無(wú)限?！?/p>

辛勤付出，遇困難百折不撓

多年來(lái)在電化學(xué)領(lǐng)域里辛勤勞作、付出，雖說(shuō)取得了一些成績(jī)，但回憶起在科研中曾遇到的困難，范興仍記憶猶新。在回到重慶大學(xué)之初，范興從普通講師做起，面對(duì)資金和人力上的缺乏，抱著一種百折不撓的心理，在教學(xué)之余努力從各方面爭(zhēng)取支持，并親自動(dòng)手設(shè)計(jì)加工裝置，動(dòng)手改造二手設(shè)備等，逐步搭建起實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。天道酬勤，他很快得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目支持。如今，已承擔(dān)過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家“973”項(xiàng)目子課題及教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才項(xiàng)目等的范興接下來(lái)還會(huì)在電化學(xué)的領(lǐng)域里繼續(xù)前行。

除科研外，在日常教學(xué)中范興也頗獲心得。在他看來(lái)，學(xué)生能給他帶來(lái)巨大的驚喜。因此，在培養(yǎng)學(xué)生方面，他會(huì)非常有耐心地培養(yǎng)他們的能力，挖掘他們的潛力，期待著有一天他們能夠在科研中取得突破的創(chuàng)新成績(jī)。另外，盡管教學(xué)占據(jù)了他很多的時(shí)間，但在范興看來(lái)，教學(xué)不僅可以對(duì)科研起到促進(jìn)作用，更令他在課堂上與學(xué)生們的互動(dòng)中感到放松。

范興是一位意氣風(fēng)發(fā)的年輕導(dǎo)師。雖然已經(jīng)從事科研多年，但或許因?yàn)槠饺绽锝?jīng)常與學(xué)生們待在一起，他看上去還像一個(gè)“學(xué)生”。范興明白，科研這條道路是永無(wú)止境的。盡管前方還有很多未知的困難，但既然“選擇了遠(yuǎn)方，便只顧風(fēng)雨兼程”。未來(lái)，范興會(huì)繼續(xù)在電化學(xué)的領(lǐng)域里徜徉下去，感知更多綺麗的風(fēng)景。