李文博

近年來，受碳排放政策影響，各國都在努力實現(xiàn)二氧化碳減排。我國已明確提出碳達峰、碳中和中長期目標，并在“十四五”規(guī)劃中指出將加快綠色低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展，推動能源清潔安全高效利用。

光電能源催化便是利用可再生能源太陽能制備清潔可再生能源的有效手段，其中光電催化制氫更被認為是21世紀的“夢技術(shù)”。光電化學傳感也因簡單、低背景和高靈敏度的優(yōu)勢，受到了廣泛的關(guān)注。在光電催化制氫和光電化學傳感器領域，我國科技工作者成果斐然。廣東省科學院測試分析研究所光電功能材料與器件研究團隊的負責人汪福憲正是這一領域的前沿技術(shù)探索者。

汪福憲

保持科研本心

時至今日，汪福憲依然記得，多年前的那堂中學實驗課上，在老師的演示下，Na在水中劇烈反應產(chǎn)生氫氣，然后氫氣導入易拉罐跟空氣混合，一個火花刺激，“嘭”地就爆炸了！奇妙的氫氣爆炸實驗成為點燃少年志趣的火苗。雖然接連在全國競賽中拿下數(shù)學、物理獎項，2006年，汪福憲還是堅定地選擇了武漢理工大學材料化學專業(yè)。

在校期間，汪福憲主動申請加入了傅正義教授課題組，在實驗室不光做了許多有趣的化學實驗，還接觸到了材料制備與表征技術(shù)，為以后的科研打下基礎。值得一提的是，材料學院經(jīng)常會邀請國際上知名的材料學專家前來講座，這些講座成為汪福憲開闊視野，了解國際前沿技術(shù)研究的窗口。“從事科研，并且學以致用，做應用型研究的想法就是在那時產(chǎn)生的。”

2010年，汪福憲以數(shù)學滿分150分，總分第一的優(yōu)異成績考取了華南理工大學化學工程專業(yè)，師從張正國教授和方曉明研究員，研究方向是熱能高效儲存與利用，兩位導師頂天立地、求真務實的科研作風深深影響了汪福憲。在導師指導下，汪福憲陸續(xù)發(fā)表論文，于2013年畢業(yè)，前往在化工領域占據(jù)優(yōu)勢地位的德國柏林工業(yè)大學化學工程專業(yè)讀博。

在德國讀博的這幾年，汪福憲經(jīng)歷了一場可謂是“千淘萬漉”的磨煉?！安┦科陂g，我主要是從事光電催化制氫研究，當時我的導師Roel van de Krol主持了歐盟最大的光電催化制氫應用項目（PECDEMO），我承擔了其中光電薄膜的制備與表征應用基礎研究，但是早期工作開展得并不順利，前3年沒有一篇論文發(fā)表?！?/p>

德國學校強調(diào)學生的動手能力，設備零部件買回來后，搭建鍍膜及表征設備首先就耗費了不少時間。設備組裝好后，調(diào)試和鍍膜工藝開發(fā)也是困難重重?！霸诠に囬_發(fā)階段，有一個噴霧熱解的前驅(qū)體配方的工作，我有300多個配方，熱解后都不能成膜，什么都沒有得到?！睂嶒炘诜磸褪≈衅D難地進行著，沮喪、彷徨、自我懷疑當然不可避免，但好在對項目的熱情、從失敗中總結(jié)規(guī)律的科學工作方式、導師的支持和肯定共同推動著研究繼續(xù)下去。最終，汪福憲逐個設計實驗，逐步排查，找到原因，并有針對性地添加了改性試劑，解決了前驅(qū)體溶液穩(wěn)定性和鋪展性的難題，獲得了光電性能優(yōu)異的催化電極。

“比較令我難忘的是，在還沒有發(fā)表一篇論文的情況下，導師就鼓勵我去美國參加MRS材料領域國際會議，我當時還拿到一個作口頭報告的機會，是唯一沒有論文發(fā)表就作口頭報告的學者。”也正是因為在這一課題當中的不凡表現(xiàn)，在還沒有畢業(yè)的時候，汪福憲就被導師推薦到Helmholtz研究所做助理研究員，博士答辯一過，他無縫對接地開始了研究工作。值得一提的是，博士生活雖然挑戰(zhàn)連連，但汪福憲仍然像多數(shù)用功的中國留學生那樣，只花了4年就畢業(yè)了。

在Helmholtz研究所工作期間，汪福憲延續(xù)了博士期間的課題，這也是他第一次獨立承擔一個科研課題?！拔议_發(fā)了一種全新的梯度自摻雜法，提出通過創(chuàng)建自摻雜內(nèi)建電場的策略，提升了光電極的光電分離效率，相關(guān)工作發(fā)表在JACS上。這段工作對我來講非常珍貴，為我日后創(chuàng)建團隊，獨立開展科研工作奠定了基礎?！?/p>

德國求學和工作這5年，汪福憲接受了系統(tǒng)的科研培訓，掌握了光電功能薄膜的制備、表征手段，具備了獨立開展科研的能力，特別是在動手能力方面有了很大提高?！拔耶敃r已經(jīng)能夠獨立設計、組裝和調(diào)試光電功能材料相關(guān)的一些設備和儀器?！备鼮榭少F的是，即便從事科研多年，汪憲福仍然保持著最初看見氫氣爆炸實驗時那種濃厚的興趣。他說：“因為發(fā)自內(nèi)心地喜歡，我常常不覺得辛苦?！?/p>

創(chuàng)建光電功能材料與器件團隊

廣東省科學院“百人計劃”團隊

2018年，汪憲福結(jié)束在德國研究的工作，受邀回國加入廣東省科學院，還沒來得及辦理入職，他就接到了參加“廣東省高?？萍紕?chuàng)新成果項目”比賽的通知。路演在即，汪福憲單槍匹馬，帶著“氫”潔水源項目前往參賽，最終從573個項目中脫穎而出，獲得了銀獎。同年，光電催化制氫項目入選“廣東省高?？萍汲晒D(zhuǎn)化中心重點轉(zhuǎn)化項目庫”，汪福憲入選廣東省科學院“百人計劃”，在院、所領導的指導幫助下，他著手創(chuàng)建光電功能材料與器件團隊。

目前，光電功能材料與器件團隊共有10人，其中，引進了青年骨干1名，博士后2名，碩士2名，本科生1名，還有華南理工聯(lián)合培養(yǎng)研究生3名。說到此處，汪福憲有些自豪：“我團隊的劉瓊博士入選了廣東省科學院‘百人計劃’，成暉則入選了‘博新計劃’。他們都非常有發(fā)展?jié)摿??！爆F(xiàn)在，不足3年，汪福憲團隊已獨立在相關(guān)領域做出了一系列創(chuàng)新轉(zhuǎn)化成果，相關(guān)工作發(fā)表在AFM、CC等自然指數(shù)期刊上。

在關(guān)于梯度自摻雜鉍酸銅光電極的可控構(gòu)筑及其載流子遷移機制的研究中，汪福憲團隊針對“噴霧熱解可控性不強”的問題，設計了新型的功率漸變磁控濺射法，實現(xiàn)了梯度自摻雜光電極的室溫可控構(gòu)筑，相關(guān)技術(shù)已獲2項PCT專利授權(quán)；針對傳統(tǒng)電解水制氫技術(shù)中氫氧混合易爆，需要隔膜分離的難題，汪福憲團隊開發(fā)了低溫甲醇催化安全在線制氫技術(shù)，從根本上避免了氫氣氧氣混合易爆的難題，極大地提升了氫氣制備過程的安全性。目前首款安全制氫儀樣機已在進行中試和長時間運行各項參數(shù)測試，不久后就將面向市場生產(chǎn)；面對癌癥這一世界性的公共衛(wèi)生難題，汪福憲團隊迎難而上，利用磁控濺射技術(shù)設計開發(fā)了一種高穩(wěn)定性、可見光吸收的通用光電傳感材料（CuV2O6），并構(gòu)建了可見光驅(qū)動的傳感器，實現(xiàn)了癌胚抗原（CEA）和人體血清甲胎蛋白（AFP）等多種腫瘤標志物的靈敏、精準檢測，為癌癥早發(fā)現(xiàn)早治療貢獻了力量……將科研成果進行轉(zhuǎn)化與推廣，造福社會，是汪福憲和團隊成員一直以來的愿望，現(xiàn)在，他們也正堅定行走在這條道路上。

然而，作為光電催化領域重要的基礎材料，潛在的光電催化材料種類異常繁多。再加上，每種材料都有獨特性能，從眾多的備選材料中篩選出優(yōu)質(zhì)光電催化材料，無異于大浪淘沙，任務艱巨。此外，不同研究團隊使用的測試參數(shù)和條件也各不相同，光電性能因此無法橫向?qū)Ρ?。實驗室研發(fā)所用到的光電測試儀器因無法做到微尺度的選區(qū)測試，很難配合現(xiàn)有的高通量材料制備技術(shù)，實現(xiàn)微米級別空間分辨率……制約條件凡此種種，汪福憲深知其艱。目前，他和團隊正在進一步開發(fā)高通量原位表征設備，并引入理論計算與分析，加速材料篩選和優(yōu)化，創(chuàng)建光電功能材料數(shù)據(jù)庫。

“我們呼吁大家采用規(guī)范的測試標準，一些突破性的成果盡量找第三方檢測確保結(jié)果的可靠性。”依托于廣東省科學院測試分析研究所的國家級分析測試平臺——中國廣州分析測試中心，汪福憲團隊已經(jīng)初步搭建了能源材料與設備分析測試平臺，現(xiàn)已具備光/電催化反應過程及產(chǎn)物的在線定性定量檢測能力，并成功將同位素示蹤法用于催化反應機理分析，已為國內(nèi)外多家單位提供分析檢測技術(shù)服務。汪福憲說：“未來，我們希望能繼續(xù)完善能源檢測平臺建設，覆蓋更多檢測分析業(yè)務，為業(yè)界提供更可靠、優(yōu)質(zhì)的服務。”