化学诺奖得主和他指导的华人学生

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-本文是连载的第三篇。

    今天(2019年10月9日)《科学》(Science)杂志网站刊登一篇新闻,题目是“Nobel Prize in Chemistry goes to development of lithium batteries(诺贝尔化学奖颁给锂电池的开发)”

    文章说:您的口袋里可能有诺贝尔奖的证据。今年的诺贝尔化学奖授予了锂离子电池的先驱,这项发明已在为现代生活提供动力的无线电子设备中无处不在:您的手机、笔记本电脑,有时甚至是汽车。与过去的铅和镍镉电池相比,锂离子电池更轻巧,更紧凑,并且经过进一步的修补,可以提供一条为家庭,飞机甚至电网供电的能量存储途径。

    90万美元的奖金由三位科学家分配:位于宾汉顿的纽约州立大学的斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham),得克萨斯州奥斯汀的德克萨斯大学的约翰·古德纳夫(John Goodenough)和位于东京的旭化成公司的吉野彰。现年97岁的古德纳夫是诺贝尔奖历史上年龄最大的获得者。

    麻省理工学院的邵阳(Yang Shao-Horn)说:“锂离子电池对我们的社会产生了巨大的影响。我很激动。”

    像所有液体离子电池一样,锂离子电池包含两个电极(阳极和阴极),由液体电解质隔开,从而使离子来回移动。在放电过程中,阳极处的锂原子储备释放电子,以产生用于外部电路的电流。产生的带正电的锂离子流入电解质,而电子从其反回到阴极,在那里它们通常被金属氧化物材料吸收。锂离子在阴极吸附到金属原子上。充电使流动反向,推动锂离子与金属原子一起分离并返回阳极。

    70年代,惠廷汉姆(Whittingham)是最早意识到锂潜力的人之一,锂是一种元素金属,在其最外层的原子壳中具有一个“松散”的电子,可以轻松地将其释放。但这也使锂具有高反应性:即使暴露于空气中的水,它也会点燃,有时会爆炸。惠廷汉姆在埃克森美孚工作时发现,二硫化钛可以很好地用作阴极:锂离子可以将自己嵌入其分层结构中。1976年,惠廷汉姆展示了一个可工作的2.5伏电池。但是,随着它经历多个充电周期,锂的须状卷须或树枝状晶体在整个电解液中生长。当它们到达阴极时,电池短路,有时会引起火灾。

    后来在英国牛津大学任教的古德纳夫(Goodenough)接任了这项任务。他意识到,如果阴极是由金属氧化物而不是金属硫化物制成的,那么阴极可以吸收更多的返回电子。这些化合物也呈层状,在吸收或释放锂离子时不会明显膨胀或收缩。他发现氧化钴效果很好,并在1980年发布了4伏电池的结果,其电压几乎是惠廷汉姆的两倍。

    日本的研究人员一直在寻找可以为缩小的无线设备供电的电池。(索尼的Walkman于1979年首次亮相。)吉野作出了巨大贡献:他找到了一种方法来制造一种并非由纯锂制成的阳极,因为它易于生长出树枝状晶体。在尝试了不同的材料后,他发现他可以将锂离子嵌入石油焦的碳层中。吉野的电池可以媲美古德纳夫的性能,但更安全,可以承受数百次充电循环。 1991年,一家日本公司开始销售首批商用锂离子电池。

    通过获奖者的工作,“我们获得了一场技术革命:真正的便携式电子产品,”瑞典隆德大学的Sara Snogerup Linse说。

    研究人员继续修改阳极,阴极和电解质的化学配方,以提高电池的功率和耐用性。如今,锂离子通常保存在石墨的阳极框架内,但一些研究人员正在研究由硅制成的阳极,该阳极可以容纳更多的锂离子。其他人正在研究不同的阴极材料。硫是有希望的,因为它比金属氧化物便宜并且可以容纳更多的电子-如果只有研究人员可以阻止硫与锂离子发生反应。依靠空气中的氧气来氧化阴极上的锂的锂空气电池被认为是另一种有前途的解决方案。

    牛津大学化学家,皇家化学学会主席卡罗尔·罗宾逊在伦敦说:“这并不是旅程的终点??,因为锂是一种有限的资源,世界上许多科学家正在这三位杰出的化学家奠定的基础上发展”。

    如果科学家们能够在容量,成本,尺寸和重量之间找到适当的平衡,则有些人认为这些未来类型的锂电池可以构成绿色电网的基础,为可再生能源提供能量存储,以吸收太阳能和风能。排放源正在达到顶峰,并在夜幕降临和风势减弱时释放能量。吉野今天在新闻发布会上说:“我认为这可能是对可持续性环境问题的最大贡献。”

    文章的末尾付了曾发表在《科学》和《科学进展》上的四篇相关论文,见文末[1]-[4]。

    约翰·古德纳夫(John Goodenough)1922年7月25日出生在德国,美国固体物理学家,是二次电池产业的重要学者。古德纳夫1944年在耶鲁大学获得数学学士学位,后在芝加哥大学获得硕士和博士学位。他目前是美国德州大学奥斯汀分校的机械工程和材料科学教授。

    1979年,古德纳夫(Goodenough)证明,通过使用钴酸锂作为锂离子可充电电池的阴极[5],可以使用金属锂以外的阳极实现高密度的储能。这一发现导致了富含碳的材料的开发,该材料允许在锂离子电池中使用稳定且易于管理的负极。

    古德纳夫于1952年在麻省理工学院的林肯实验室开始了他的职业生涯,在那里他为数字计算机的随机存取存储器(RAM)的开发奠定了基础。离开麻省理工学院后,他成为牛津大学教授和无机化学实验室负责人。在此期间,古德纳夫发现了锂离子。

    古德纳夫获得了许多国家和国际荣誉,包括日本奖、恩里科·费米奖和国家科学奖章。2014年古德纳夫吉野彰以及西美緒、拉奇德·雅扎米四人曾获得查尔斯·斯塔克·德拉普尔奖(Charles Stark Draper Prize),这是美国工程学界最高奖项之一。该奖由美国国家工程学院颁发,被认为是“工程学界的诺贝尔奖”之一。所以人们对诺贝尔化学奖颁给锂电池的三位开发先驱并不感到意外,多年来呼声一直很高。

    从文献[1]可以看出:97岁高龄的古德纳夫2019年仍然在指导8位华人做科研。

    文献[2]的Yang Shao-Horn(邵阳)1992年毕业于北京工业大学,1998年在密西根理工大学(Michigan Technological University)获得博士学位,现在是麻省理工学院的能源教授。

    文献[3]Yun-Hui Huang 华中科技大学的黄云辉教授,毕业于北京大学,与古德纳夫共同署名多篇文章。

    本文部分内容摘译自[6]。

    注:引用请注明“文学城”,欢迎批评指正。

[1] Xiang Li, Hao Wang,Zhiming Cui, Yutao Li, Sen Xin, Jianshi Zhou, Youwen Long, Changqing Jin and John B. Goodenough,"Exceptional oxygen evolution reactivities on CaCoO3 and SrCoO3(CaCoO3和SrCoO3具有出色的析氧活性)" Science Advances 5, 8 (09 Aug 2019)

[2] Jin Suntivich, Kevin J. May, Hubert A. Gasteiger, John B. Goodenough, Yang Shao-Horn, "A Perovskite Oxide Optimized for Oxygen Evolution Catalysis from Molecular Orbital Principles(从分子轨道原理出发优化氧释放催化的钙钛矿氧化物)" Science 334, 6061 (09 Dec 2011)

[3] Yun-Hui Huang, Ronald I. Dass, Zheng-Liang Xing, John B. Goodenough, "Double Perovskites as Anode Materials for Solid-Oxide Fuel Cells(双钙钛矿作为固体氧化物燃料电池的阳极材料)" Science 312, 5771 (14 Apr 2006)

[4] M. S. Whittingham, "Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry," Science 192, 4244 (11 Jun 1976)

[5] Mizushima, K.; Jones, P. C.; Wiseman, P. J.; Goodenough, J. B. (1980). "LixCoO2(0 ≤ x ≤ 1) Materials Research Bulletin. 15 (6): 783–789. doi:10.1016/0025-5408(80)90012-4.

[6] Nobel Prize in Chemistry Goes to John Goodenough of The University of Texas at Austin

鸿鹄生而有翼 发表评论于
回复 'Fanreninus' 的评论 : 可能idea是直到教授相处来的,博士和博后只干活的,没有原创思想。如果是这样,也没有什么好遗憾的。
鸿鹄生而有翼 发表评论于
Yang Shao-Horn(邵阳)太厉害了,从普通学校毕业,跳到美国顶尖学校当教授。
Fanreninus 发表评论于
很多工作都是博士和博士后做出来的,这些人中间很多是真正的功臣,想想,多少有些遗憾,不过,这也是体制问题。
赌城看客 发表评论于
得奖者核心文献[5]的第一作者 博士后 水岛公一 没得奖可能有人会觉得惋惜。
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