海归青年说 | 陈燕：“碳负排”何以可能

编者按

中国特色社会主义新时代，亦是海归青年成长成才的新时代。近年来，华南理工大学不断深化人事制度改革，逐步构建具有全球竞争力的人才工作体系，引进了一大批具有家国情怀、勇攀高峰的优秀海归青年学者。他们在学校和所在学院的支持下，以探索新知、求真务实为己任，不断推动科技自立自强，在前沿领域屡创佳绩。“海归青年说”系列报道聚焦华南理工大学的海归青年学者，讲述他们在华园的成长经历和精彩故事，弘扬他们心系“国家事”、肩扛“国家责”的精神，展现新时代海归青年“报效国家、服务人民”的自觉担当。

华南理工大学环境与能源学院教授 陈燕

本科：北京大学，物理学&统计学，2002-2006

硕士：北京大学，核技术及应用，2006-2009

博士：美国麻省理工学院，核科学与工程，2009-2014

博士后研究员：美国麻省理工学院，2014-2016

教授/博士生导师：华南理工大学，环境与能源学院，2016- 2020

教授/博士生导师/副院长: 华南理工大学 环境与能源学院，2020-

入职华工后陈燕教授作为通讯作者在《Nature  Communications》《Energy & Environmental Science》《Advanced Functional Materials》《Chemical Society Review》等国际知名期刊发表SCI论文30余篇；申请/授权了国家发明专利10余项；担任中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、中国电工技术学会电子束离子束专业委员会副主任委员等学术职务。

撰文 | 郑宇丹 师雨欣 彭伊婷 周玉玲

视频制作 | 师雨欣 彭伊婷
摄制 | 师雨欣 彭伊婷 周玉玲

科学助理 | 周梦珍 宫志恒 孙翔

公众号责编 | 赵健敏

世界需要科学，科学需要女性。

“在我身边、在科研领域中有很多杰出女性科研从业者。如果你真的对科研感兴趣，性别不应该成为一个阻碍。” 

从求学生涯开始，陈燕便是“与众不同”的那一个。本科和硕士就读于北京大学物理学院，博士则进入美国麻省理工学院，从事核科学与工程研究。

陈燕坦言，“这些专业都是女性很少出现的领域，读得越深，越会发现教室里、实验室或者课题组，往往只有我一个女性。”

当被问及在选择学业或职业规划时遇到的困难，陈燕说自己也曾彷徨过：“作为女生，你在班里一直都是‘少数派’，也很难融入以男性占比较高的科研领域，这是一种难以用自我力量去消除的从业障碍”。

陈燕在麻省理工学院实验室

陈燕跨过了这道障碍。2009年，她获得麻省理工学院“曼森·本尼迪克特奖学金”；2013年，获邀出席第一届核科学与工程新星研讨会；2014年和2015年，连续获得斯伦贝谢基金会“未来教师奖学金”。

“有诸多优秀的女性同学、教师，她们在能力、智力方面都非常突出，但是有的却没有走向科研或者在科学领域进一步发展，可能是‘意识'阻挡了她们的脚步。”陈燕认为，“女性可以从事科研工作、也有能力做好。能力从来都不能由性别所界定”。

陈燕在华南理工大学实验室做实验

2016年，陈燕入职华南理工大学环境与能源学院，主攻能源与环境催化材料表界面过程研究，关注的应用领域包括固体氧化物电池（SOFC）和固体氧化物电解池（SOEC）、生物质（气）高效定向转化、环境污染物（电）催化降解等。她在搭建团队时，第一届招收的三名学生都是女生。很快，陈燕教授团队逐渐壮大，并加入华南理工大学的国家重点实验室等科研平台，在深耕基础科学研究的同时，积极融入与学界和业界的合作。

2019年，在入职华南理工大学的第三个年头，陈燕获得国际固态离子学会 (ISSI) “青年科学家奖”，成为第一位来自中国内地高校的获奖者。这是对陈燕在基础研究领域所取得成就的高度认可。

陈燕教授领奖照片

什么样的研究使得陈燕能在所属研究领域脱颖而出？在这位年轻的女科学家眼中，如何改善人类栖身的环境是她的科研动力，而这一切要从探索变废为宝的“碳负排”开始。

一

求解SOFC用废气发电的机理

2022年6月以来，区域性高温事件频发。据国家气候中心消息，高温综合强度已达1961年完整气象观测记录以来最强。多个区域遭遇60年罕见高温叠加旱情，四川省部分主力水电厂几乎见底，嘉陵江北碚站水位接近历史同期最低。财新网报道称，我国水电发电能力下降超过一半，限电的区域越来越多，电力行业面临大考。

2022年8月21日，南京

石臼湖水位破同期历史最低，大片滩涂裸露

图源：视觉中国

如何解决极端气候条件下人们生产生活用电的需求？这时，不得不提到固体氧化物燃料电池（SOFC），它已被多个国家和地区视为战略储备能源技术，是一种具备很高应用前景的全固态化学发电装置。

SOFC能够在600摄氏度以上的高温下直接将储存在氢气等燃料中的化学能高效、环境友好地转化成电能，适用于分布式发电、备用电源、热电联供系统等应用场景。它的燃料可以不限于纯氢气、管道天然气，还可以是来自于生物质发酵所产生的沼气、垃圾填埋场废气等碳氢化合物，可以说是 “变废为宝”的利器。

SOFC装置原理（图源网络）

陈燕教授的研究方向之一就是固体氧化物燃料电池（SOFC）的电极材料开发。SOFC的工作温度一般比较高，高温下材料容易发生老化。特别是在使用废气发电过程中，由于废气中含有各种硫化物、重金属铬等对电极材料具有毒化作用的杂质气体，电极材料的电化学性能会更为快速下降。所以，对于电极材料在高温下演变过程的探究对于防止电极老化具有重要的作用。

陈燕教授在做实验

陈燕介绍：“SOFC应用前景非常广泛，可以利用垃圾填埋气、生物质沼气等可燃废气发电，也可以在铺设天然气管网的住宅小区、商业楼宇以及医院等提供分布式热点联供，还可以应用于船舶辅助电力与化工节能。

近年来，在我国加大氢能产业扶持政策及电力系统转型发展的背景下，一些科研院所孵化的中小企业和中外合资企业纷纷投入SOFC的生产应用。

2020年10月，国家能源集团北京低碳清洁能源研究院自主研发的国内首套20千瓦级的SOFC系统在宁夏煤业实验基地试车成功；2021年2月，中日韩合作的广东省佛山市南海区“氢能进万家”智慧能源示范社区项目投运，可为住宅提供不间断的电力与热水，能源利用率达到92%，排碳量降低50%。

我国20千瓦SOFC发电系统外观（图源网络）

尽管我国的SOFC产业已经起步，但在商业应用方面仍与一些发达国家存在差距。据悉，美国Bloom Energy作为全球范围内最大的SOFC公司，总装机量已经超过350兆瓦；日本的家用SOFC热电联供系统已经商业化，小型的热电联供系统累计出货已经达到60兆瓦。

如何才能让SOFC在国内实现快速发展？陈燕提出：“不能忽略前瞻性的基础研究在整个科研链条中所承担的方向标的作用。如果不知道化学材料反应原理及其过程中发生了什么，实际生活中的材料设计与器件组装使用可能会有很大偏误。这就需要我们立足基础，面向应用，形成合力，实现共赢。”

众所周知，基础研究周期长，见效慢。陈燕和她的团队关注的是电极材料在运行过程中如何发生演变，这种演变过程又是如何影响它的活性与稳定性。在对SOFC电极材料老化机制进行研究时，陈燕团队提出了新型电极材料的设计方法，从而提升整个器件的运行效率及寿命。

陈燕教授和博士生孙翔在观察实验结果

陈燕团队发现，通过对SOFC阴极材料表面进行可控修饰，可以有效抑制特定金属元素向表面迁移，从而提高电极材料的稳定性，其性能衰减率可以下降到修饰前的几十分之一。相关研究成果发表于能源领域《Energy & Environmental Science》《Advanced Energy Materials》等知名期刊上。

目前陈燕团队关于SOFC的研究集中针对特殊燃料，如具有特定组成废气的高效稳定电极材料开发，期望在未来能够有效推动SOFC在特殊场景下的实际应用。

二

SOEC如何“变废为宝”

随着碳排放量的增加，全球气候变化加剧。频发的极端天气日益威胁着人类的生存。

为了彰显中国应对气候变化的大国决心和责任，2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会上正式提出了2030年碳达峰、2060年碳中和的愿景，自此，清洁降碳成了未来社会发展的关键词。

碳达峰、碳中和愿景（图源网络）

实现双碳目标不仅需要碳零排，更需要“碳负排”，即通过创新技术抵消已经产生的二氧化碳，将其转化成高价值的化学品，实现“点石成金”、变废为宝。这是陈燕教授团队的另一项攻坚研究——如何利用固体氧化物电解池（SOEC，Solid Oxide Electrolysis Cell）进行能源转化。

据陈燕教授介绍，SOEC可以被认为是SOFC的逆过程，它需要通入电能，通过进行物质转化将能量作为化学能进行存储。以SOEC最常见的应用场景——电解水制氢气来说，首先需要在SOEC两侧电极上施加一定的电压，水在阴极（氢电极）被分解产生氧离子，氧离子穿过致密的固体氧化物电解质层到达阳极（氧电极），在阳极失去电子后得到纯氧气。电解水制氢和利用SOFC将氢气能量转化为电能并产生水是一个相反的过程。

SOFC与SOEC工作原理对比

以及SOEC电解水和CO2所需能量来源分析

由于SOEC是在高温条件下与700-900摄氏度的水蒸气发生反应，因此其效率要高于常规的电解水过程。此外，SOEC还具有装置体积小、电能利用率高、不需要贵金属催化剂等优势，在氢能日益发挥重要作用的“双碳”时代，具有不可忽视的应用价值。

首先，SOEC能够回收并转化二氧化碳，实现“碳负排”。其原理是对二氧化碳进行高温电还原，将二氧化碳和水转化为合成气、烃类燃料并联产高纯度的氧气。根据陈燕教授的解释，SOEC电解转化物，如一氧化碳和烯烃等都是重要的化工燃料，这种方法不仅能降碳，还具有将低价值的水和二氧化碳转化为高价值的合成气及烃类燃料的重要功能。

SOEC转化二氧化碳的功能已投入到航空实践。北京时间 2021 年 2 月 19 日，美国航空航天局的火星探测器“毅力号”成功着陆火星。“毅力号”装配了SOEC设备，尝试将火星大气中的二氧化碳还原成宇航员所需的氧气。这一实验或将为人类继续探测火星或其它星球提供可行的“供氧”解决方案。

NASA的火星探测器“毅力号”装配SOEC

（图源网络）

其次，SOEC能够基于Power to X的技术理念实现电能转化和高效储能。SOEC被视为能实现Power to X（电 → X）的神奇装置，即通过SOEC，可以将电能转化成如乙烯、一氧化碳等各种化学品。利用电解水反应产生氢气，并将其与大量甲烷混合进入天然气管道，或是进一步转化成其他合成燃气，从而实现了Power to Gas(P2G)：将电能转化为了燃料。

Power to X（图源网络）

与此同时，基于Power to X的技术理念，SOEC还能应用在储能以及对可再生能源所产电能的消纳中。

近年来，我国水电、风电装机容量迅速扩大，而区域电力负荷、线路输电容量未能同步提升，导致电力系统的可再生能源弃电问题日益凸显。SOEC可以通过电解水制氢，将大量产生且无法向外运输的电能以氢气的形态储存起来，实现电能的迁移和储存利用。

SOEC电解用于消纳可再生能源电力等

图源：Hauch al,Science 370,186(2020) 

鉴于SOEC潜力巨大的应用价值，深入探究材料的表面反应原理，有效观测复杂的转化过程便显得至关重要。

陈燕课题组的研究主要集中在仅有厘米级尺寸大小的模型固体氧化物电解池（SOEC）中。通过对该模型电解电池进行研究，可以揭示电池中关键材料的演变规律，获得电解反应过程的关键信息，从而有效指导实际大型电堆的设计和开发。

实验室中的SOEC

肉眼来看，1厘米的模型电池，比成年人的大拇指盖还要小，但其组成却非常精密。

“阳极也称氧电极，阴极也称氢电极，电解质的作用是隔开氧气和燃料气体，并且传导氧离子或质子”，陈燕教授解释，“高温环境下，1平方厘米的电池表面会发生极为丰富且复杂的电催化变化，但我们是无法直观感知到其中电子或质子的流动的。”

为了深入探究材料表面反应机理，在华南理工大学的大力支持下，陈燕团队搭建起具有世界领先水平的表界面过程原位研究平台。代表性的装置包括原位扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy， STM）、原位拉曼光谱、原位X射线衍射仪等，以此辅助课题组科研项目的展开。

陈燕课题组实验的代表性装置

结合这些大型设备以及国家的大科学装置，陈燕团队致力于在接近SOEC工作环境下（变温、变气氛以及外加电场）对材料进行探测，从而获得材料的演变规律以及一些反应的关键物种等信息。

其中，扫描隧道显微镜的分辨率极高，它所提供的材料表面电子结构信息，可以达到原子级别。电子结构如能带结构、电子态密度等是影响材料催化性能的重要因素。

扫描隧道显微镜（STM）

陈燕团队的博士生周梦珍介绍：“我们通过脉冲激光沉积技术（PLD）制备薄膜样品，作为扫描隧道显微镜测量表面电子结构的模型系统。在真空环境中，控制探测针尖对导电薄膜样品表面进行扫描，当针尖与样品表面距离非常近时（约数纳米），在针尖和样品间施加一定的偏压，电子就会克服探针和导电薄膜样品之间的势垒在电极间流动，形成隧道电流，通过记录隧道电流的变化，就可以获得样品表面的形貌结构和电子态密度等信息。”

实验情况会通过显微镜，可视化地呈现在连接到实验设备的电脑屏幕上，进而对样品表面的形貌结构变化进行观测记录与科学研究。

  扫描隧道显微镜内部动图

在高温条件下利用SOEC进行二氧化碳转化，它的产物主要是气相的，即生成的是一氧化碳和氢气等。陈燕团队的目标是设计出一个新型的反应器，能够把二氧化碳转换为液体燃料。

在高尖设备的辅助下，陈燕教授及其团队聚焦于研究催化剂材料在不同工况条件下表界面状态的演变，及其对气体小分子转化为高附加值产物的影响。

陈燕课题组在观测实验结果

经过持续深耕，陈燕团队所获得的一些实验数据已经形成论文，正在投往领域内的国际重要期刊，团队还牵头承担了关于利用SOEC实现CO2资源化利用的国家科技部重点研发计划青年科学家项目。

三

科研合作推动“碳负排”

能源安全与气候变化已成为全球政治、经济与环境领域的热点问题。

近年来，各国SOFC、SOEC的研发速度不断加快，相应的规模化应用均取得重要进展。如德国Sunfire公司在2018年已经开发了可逆固体氧化物电池，在电解模式的标准状态下，能在1400小时内产氢量超过45000立方米。2020年，美国爱达荷国家实验室开发了25千瓦（KW）的高温水蒸气SOEC反应堆，产氢速率在标准状态下可以达到每小时1.68立方米。日本也相继宣布，将在2020到2024年累计投入45亿日元，用以开发电解二氧化碳与费托耦合制备液体合成燃料。

“我们团队所关注的SOFC/SOEC、生物质（气）定向转化等研究与‘双碳’愿景相一致，也与国家能源安全战略一致”，陈燕在采访中说道，“这更需要我们在做好基础研究工作的情况下，积极进行院校间科研合作，推动研究从实验室到产业化生产的创新突破。”

陈燕课题组学生在国家大科学装置做实验  

陈燕教授团队曾与北京大学、清华大学、上海交通大学、上海同步辐射光源等高校及科研院所开展了实验合作研究，并取得了一系列重要进展，发表了数篇高水平学术论文，并申报了相关专利成果。

华南理工大学作为牵头单位，陈燕教授所在的科研团队还与中国科学院大连化学物理研究所、中国矿业大学进行科研合作，共同承担国家科技部重点研发计划项目，致力于开发新型材料与反应器。

与其他科研院所的合作成效如何？博士生孙翔说，“我们目前正致力于将SOEC与热催化耦合，通过对二氧化碳的电催化转换为合成气，并进一步催化合成气转化为具有高附加值的液相产物。合作有望开发出有别于传统方法制备高附加值产物的新方法，对未来全球减轻碳排放具有重要意义。”

经过六年的不断摸索，陈燕带领的科研团队已经形成从利用先进手段辅助基础研究，揭示材料的本征特性，到对材料及反应进行针对性调控，实现电化学反应高效进行的全面发展，既能够提供理论指导，也能面向应用、服务于现实生活，团队的整体竞争力不断靠近同领域的世界一流水平。

陈燕课题组在实验室讨论

尽管社会对于女性科学家的刻板印象仍然存在，但是陈燕和她的学生们正在用一项项科研成果证明，人生不必设限，只要找到自己擅长的领域，并对此充满热爱，它就会一直引领你攀登高峰。

对于如何打破社会观念的桎梏，陈燕提到“我们需要Role Model（榜样），就像飞上太空的女宇航员一样，告诉其他女性，我也可以！”

陈燕团队的同学合影

图片/视频参考来源：

[1]华南理工大学教师信息 https://yanzhao.scut.edu.cn/ExpertInfo.aspx?zjbh=VzR1oh4rqhUj9iemCx3HGg==

[2]华南理工大学陈燕课题组主页http://www2.scut.edu.cn/yanchen/

[3]筑梦华园 悦见未来丨百年恰风华，世纪正青春——华工等你来！https://www.bilibili.com/video/BV1Uf4y187no?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=206986c270f4f20e7c2c71a69c527a3c

[4]华南理工大学环境与能源学院主页https://www2.scut.edu.cn/cese/

[5]SOFC固体氧化物燃料电池相关视频 https://www.bilibili.com/video/BV17V411n7nh?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=206986c270f4f20e7c2c71a69c527a3c

[6]碳达峰与碳中和 https://www.bilibili.com/video/BV1cf4y1t7mA?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=206986c270f4f20e7c2c71a69c527a3c

[7]李一枫,覃祥富,于波,张龙贵,吴长江.基于固体氧化物电解池的高温电解技术在化学工业中的应用进展[J].石油化工,2022,51(07):850-856.

[8]重庆嘉陵江露出浅滩，专家解读系“汛期反枯”http://www.nbd.com.cn/articles/2022-08-16/2410687.html

[9]广东省人民政府办公厅关于印发广东省能源发展“十四五”规划的通知https://www.gd.gov.cn/zwgk/wjk/qbwj/yfb/content/post_3909371.html

[10]中国SOFC发展现状与向上路径 https://new.qq.com/rain/a/20220517A0CX0P00

华南理工大学“海归青年说”系列报道

项目总策划：李卫青

项目总统筹：吴树雄  冯向阳

  项目联络人：王   娟  汪昭兵  

内容总策划：郑宇丹

   编务助理：蓝   元  孙   琛

联合出品

华南理工大学人事处

华南理工大学新闻与传播学院