竇玉海 | 乘“氫”風(fēng) 勇破浪

氫能是一種清潔高效、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，可以將其作為紐帶，把可再生能源轉(zhuǎn)化為氫，再把氫轉(zhuǎn)化成電或其他能源物質(zhì)進(jìn)行使用?；诖颂匦?，氫能在全球范圍內(nèi)掀起了熱潮，不僅能作為家用汽車、火車、輪船等各種交通工具的燃料；也能走進(jìn)千家萬(wàn)戶，通過(guò)氫燃料電池發(fā)電供空調(diào)、冰箱和熱水器等家電使用；同時(shí)還可在金屬冶煉和食品烹飪等領(lǐng)域大顯身手。

▲竇玉海

“氫能時(shí)代”的大幕已然拉開(kāi)。近年來(lái)，全球多個(gè)國(guó)家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，世界各國(guó)相繼公布了國(guó)家氫能戰(zhàn)略，中國(guó)發(fā)展改革委和能源局也于2022年3月發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》?？梢?jiàn)，氫能已成為全球各國(guó)加快能源轉(zhuǎn)型升級(jí)、培育經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的重要戰(zhàn)略選擇，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。

如今，全球能源行業(yè)正經(jīng)歷著以低碳化、無(wú)碳化、低污染為方向的第三次能源變革。作為第三次能源變革的重要媒介，氫能也將進(jìn)一步助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳”目標(biāo)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，成為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵補(bǔ)充。

作為最有前景的清潔能源之一，氫能是化石燃料的理想替代品，只要對(duì)其進(jìn)行有效利用，就能在很大程度上避免因大量使用化石燃料所導(dǎo)致的能源和環(huán)境問(wèn)題，從而有效減少碳排放，在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中發(fā)揮重要作用。目前，電催化水裂解因具有能量利用率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最環(huán)保和具有可持續(xù)性的制氫技術(shù)之一?！皻淠馨l(fā)展的勢(shì)頭猛烈，應(yīng)用前景很廣闊。”上海理工大學(xué)教授竇玉海長(zhǎng)期致力于原子級(jí)超薄材料、氫能、電催化水裂解等方向的研究，在他看來(lái)，盡管我國(guó)在氫能技術(shù)上起步較晚，研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)都還處于初級(jí)階段，但他有責(zé)任挑起這副重?fù)?dān)，拓展和探討氫能在技術(shù)突破、應(yīng)用場(chǎng)景等方面更多的可能性。

感受探索與求知的樂(lè)趣

年輕有為是竇玉海的標(biāo)簽，熱情堅(jiān)持是他留給人們的印象。然而，在竇玉海身上能看到的，更多是多年科研沉淀給予他的專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)和從容。他用實(shí)際行動(dòng)證明，科研的道路上只有里程碑，沒(méi)有終點(diǎn)線，只有無(wú)限探索，才能永遠(yuǎn)求知。

學(xué)海無(wú)涯苦作舟，一直以來(lái)竇玉海都對(duì)科研工作有著濃厚的興趣，也正是因?yàn)榕d趣使然，好奇心驅(qū)使著他在本科和研究生階段不斷學(xué)習(xí)與探索。碩士期間，受到一位同課題組師兄獲批國(guó)家海外高層次人才回國(guó)發(fā)展的激勵(lì)，再加上當(dāng)他了解到科研的重要性后，竇玉海第一次萌生了投身科研的想法，也想盡自己的力量在科研沃土中大展宏圖。

在中南大學(xué)完成本科和碩士學(xué)業(yè)后，2013年，竇玉海師從竇世學(xué)院士，在澳大利亞伍倫貢大學(xué)攻讀博士學(xué)位。作為伍倫貢大學(xué)超導(dǎo)與電子材料研究所創(chuàng)始人，竇世學(xué)院士在納米、儲(chǔ)能、氫能、超導(dǎo)與電子材料等領(lǐng)域里的成就影響了一代又一代人，為中國(guó)與世界各國(guó)共同攻克“雙碳”領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)難題搭建起合作的橋梁，也為實(shí)現(xiàn)全球“碳中和”目標(biāo)貢獻(xiàn)了巨大的力量。在導(dǎo)師竇世學(xué)的指引和幫助下，竇玉海在博士期間找準(zhǔn)了研究方向并取得了一系列豐碩的研究成果，他也逐漸建立起從事科研的信心。

博士期間，竇玉海主要致力于原子級(jí)超薄材料的合成和應(yīng)用研究工作。在導(dǎo)師的啟蒙下，竇玉海先后針對(duì)燃料敏化太陽(yáng)能電池、二次電池、超級(jí)電容器和浸潤(rùn)材料等不同方向開(kāi)展探索，一點(diǎn)點(diǎn)摸索著屬于自己的研究目標(biāo)。

盡管自身已經(jīng)具備了一定的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但從本科和碩士的粉末冶金專業(yè)，一步跨越到博士時(shí)期新能源材料的合成，讓竇玉海還是有些“吃不消”。他直言：“博士的前兩年有些難熬，但好在有竇世學(xué)院士的支持和關(guān)懷，我及時(shí)調(diào)整心態(tài)，找準(zhǔn)研究方向，科研工作也走向正軌?！备]玉海勤于鉆研，經(jīng)過(guò)不斷嘗試和研究，在博士期間合成了原子級(jí)超薄二維過(guò)渡金屬化合物，其具備良好的電催化水裂解性能，對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)研究的開(kāi)展有重要意義。

此后的科研中，澳大利亞科研院院士、工程院院士趙惠軍為竇玉海提供了無(wú)私的幫助?！摆w老師擁有豐富的基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)化研究經(jīng)驗(yàn)，且一直毫無(wú)保留地為學(xué)生傳輸經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，期望學(xué)生都能夠茁壯成長(zhǎng)，在各行各業(yè)發(fā)光發(fā)熱，為國(guó)家的科研事業(yè)作出貢獻(xiàn)?！蓖瑫r(shí)，江雷院士、孫子其老師都為竇玉海的科研成長(zhǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，鍛煉了優(yōu)異的學(xué)術(shù)素養(yǎng)。

得益于恩師教導(dǎo)，隨著對(duì)科研了解得愈加深入，竇玉海更加體會(huì)到，只有將自己感興趣的方向與專業(yè)特長(zhǎng)結(jié)合起來(lái)，才能夠保持足夠的科研熱情與不斷前進(jìn)的動(dòng)力。他感受到氫能正在快速成為助推我國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)綠色低碳、高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的重要引擎，是當(dāng)前和未來(lái)科研及產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)發(fā)展方向。

于是，竇玉海明確了科研思路和規(guī)劃，最終確定了自己的研究方向，他將電催化水裂解作為研究突破口，自此開(kāi)始了一段嶄新的科研之路。

制氫路上的苦與樂(lè)

科研是一項(xiàng)艱辛、漫長(zhǎng)又極易遇挫的工作，竇玉海于理論中充實(shí)自我，于實(shí)踐中鍛煉自我，享受著苦與樂(lè)并存的氫能技術(shù)研究之旅。

當(dāng)前，我國(guó)加速發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，在氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面已取得多個(gè)突破性進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)鏈也已具雛形，但當(dāng)前各種制氫技術(shù)仍面臨大量未解決的問(wèn)題。進(jìn)一步促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，是竇玉海一直在努力的目標(biāo)，憑著一股不解決問(wèn)題不罷休的韌勁，他逐步成長(zhǎng)為一名專業(yè)技術(shù)精湛、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的科研團(tuán)隊(duì)帶頭人。

“讀萬(wàn)卷書(shū)，行萬(wàn)里路”。國(guó)外這段求學(xué)經(jīng)歷，讓竇玉海學(xué)會(huì)如何探索和挑戰(zhàn)，找尋人生更多的可能性。2023年，竇玉海選擇回國(guó)，他跟隨竇世學(xué)院士和劉化鹍院士全職加盟上海理工大學(xué)，并助力學(xué)校成立能源材料科學(xué)研究院，還入選了上海市領(lǐng)軍人才（海外）和滬江領(lǐng)軍人才。

回國(guó)后，學(xué)校在科研場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、人才引進(jìn)等方面都給予大力支持，讓竇玉海研究得更加安心。目前，他研發(fā)的廉價(jià)高效堿性電解水催化等相關(guān)技術(shù)獲得國(guó)內(nèi)多家新能源企業(yè)的認(rèn)可，并已經(jīng)簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，就產(chǎn)業(yè)化研究開(kāi)展多項(xiàng)工作。

雖然回國(guó)才短短一年時(shí)間，但“永不滿足”的竇玉海始終在探索中超越。他針對(duì)電解水制氫和燃料電池領(lǐng)域開(kāi)展研究工作，先后主持了國(guó)家級(jí)海外引才專項(xiàng)、上海市海外高層次人才計(jì)劃、太倉(cāng)科技領(lǐng)軍人才等多個(gè)科研項(xiàng)目，成果頗豐。

研究過(guò)程中，竇玉海不止一次強(qiáng)調(diào)，利用可再生能源發(fā)電驅(qū)動(dòng)電解水制氫，最重要也最不能忽視的是要實(shí)現(xiàn)真正意義的零碳排放，這也是未來(lái)解決人類能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的關(guān)鍵“法寶”。然而，擺在眼前的情況不容忽視：堿性水電解在水電解行業(yè)中占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)成熟，設(shè)備造價(jià)低，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)氫的重要手段，但目前商用堿性電解水制氫存在著電極活性低、制氫能耗較大等問(wèn)題，導(dǎo)致其規(guī)?；l(fā)展嚴(yán)重受阻。

開(kāi)發(fā)廉價(jià)且高效的水裂解催化劑有助于推動(dòng)氫能源的商業(yè)化應(yīng)用。據(jù)竇玉海介紹，要想提高水裂解催化性能，增加活性位點(diǎn)數(shù)量、提升本征催化活性是重點(diǎn)，而材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和缺陷活化是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。在他看來(lái)，盡管原子級(jí)超薄二維材料還是一種新興的納米材料，但自帶很多傳統(tǒng)納米結(jié)構(gòu)不具備的優(yōu)勢(shì)：合適的原子層厚度利于提高活性；高比表面積不僅為催化反應(yīng)提供充足的活性位點(diǎn)，還可充分進(jìn)行活化；部分材料表面富含懸掛鍵，極易優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)；獨(dú)特的超薄二維結(jié)構(gòu)，更易獲取精確的缺陷結(jié)構(gòu)和局域電子態(tài)；材料的清晰缺陷及配位環(huán)境，可為理論計(jì)算提供理想模型，有助于深入揭示催化反應(yīng)機(jī)理。

因而，竇玉海也明確了進(jìn)一步提高水裂解催化性能的突破口，那就是開(kāi)發(fā)原子級(jí)超薄3d過(guò)渡金屬基催化劑，并充分發(fā)揮其超薄二維結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。目前，竇玉海借助原子級(jí)超薄材料的原子層厚度、高比表面積和高活性表面等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，探索了雙缺陷的協(xié)同活化機(jī)制，最終通過(guò)缺陷活化的方式顯著優(yōu)化了材料的電催化性能，研制出性能良好、更具實(shí)際意義的電解水制氫催化劑，成功應(yīng)用于堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、陰離子交換膜電解槽等。

竇玉海在科研過(guò)程的每一步都走得很踏實(shí)。從短期看，未來(lái)電解水制氫催化劑所制得的氫氣將在燃料電池和冶金等行業(yè)大放光彩，實(shí)現(xiàn)廉價(jià)高效電解水制氫催化劑（電極）和燃料電池催化劑的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；而從更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，其不僅能帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益，還可在助力我國(guó)雙碳目標(biāo)達(dá)成、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展上發(fā)揮重要作用。

科研路上，竇玉海始終保持一個(gè)科研人員應(yīng)該有的心態(tài)，踏實(shí)敬業(yè)，敢于創(chuàng)新，他的每一分努力都會(huì)帶他走向新的征程，也會(huì)將科研的種子撒向遠(yuǎn)方。