温州大学化学与材料工程学院

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温州人杂志:金辉乐:“碳”赜索隐

发布时间:2020-05-10    来源:化材学院    作者:    点击次    [点击关闭]

人物名片

金辉乐,温州人,博士、教授,博士生导师,温州大学化学与材料工程学院副院长。目前兼任浙江省碳材料技术研究重点实验室副主任、Wiley出版集团国际学术期刊《Carbon Energy》执行编辑等。曾入选温州市“551人才工程”第二层次、浙江省“万人计划”青年拔尖人才等。

“十三五”以来,碳能源研究作为新能源与新材料研究的交叉领域,其发展对新能源汽车、高端装备、智能材料、高效节能环保等新兴产业具有十分重要的支撑作用,因此越来越受到国家和学术界的重视,相关领域的优秀研究成果不断涌现。

在此背景下,温州大学化学与材料工程学院副院长金辉乐对“碳材料”的研究情有独钟,他一直致力于面向能量转换与存储的高密度碳基纳米结构材料的设计合成、结构调控及应用的基础研究与产业化开发工作。

加快新能源、新材料发展,是当前温州推动先进制造业发展的重要基础,是提高产业竞争力的重要支撑,是加快高质量发展的大势所趋。借着温州新能源、新材料产业良好的产业基础、较好的合作平台和广阔的市场前景,金辉乐希望能紧紧把握全球新一轮产业变革的“脉动”,用自己的科研成果推动温州新能源、新材料产业发展。

实践出真知

在温州大学的部分教师队伍里,许多著名教师曾经都是温州大学的毕业生,兜兜转转,最后回归到母校的怀抱,与温大结下了不解之缘,金辉乐也是如此。

1998年,年轻的金辉乐就读于温州大学(原温州师范学院)化学系,学习化学(师范类)专业。2002年从温师院毕业之后,对药物化学方向十分感兴趣的金辉乐去了贵州大学攻读生物化学与分子生物学硕士。

而对于温州的感情,金辉乐是非常深厚的。2005年硕士毕业之后,金辉乐回到母校温州大学,从实验中心的实验室助理实验师做起,一直升任至高级实验师、硕士生导师、教授,到现如今的温州大学化学与材料工程学院副院长。15年来,他一直扎根教学、科研及管理工作一线,从事教师教育和科研工作,其间还在东华大学材料学专业完成了博士学位的学习。

2009年前后,适逢纳米材料的科学研究讨论在业内异常火热,原本以药物化学为研究方向的金辉乐也在考虑转型至纳米材料化学的研究。“药物化学是以有机化学为基础的学科,纳米材料特别是碳材料属于新兴的交叉学科,这样的研究方向转变对我来说是个非常大的挑战。”金辉乐说,转型是一个非常痛苦的过程,所有的东西几乎要从零开始重新学,他都是自己上网查询,请教学生、同事以及在边做实验边学习的过程中完成了方向的转型。

当时,金辉乐还住在瑞安的家中。他每天要先早起从瑞安赶赴茶山的温大本部完成日常工作,下班后再赶去位于温大学院路校区的实验室,在学习和实验的过程中一待就是十一二点,等返回至瑞安家中已是深夜。这样的生活他坚持了好几年。

在日常的教学里,金辉乐担任本科生、研究生的相关课程。化学专业的课程相对枯燥,如何把很多的创新思想带给同学们,金辉乐有自己的考量。“学生的书每本都有这么厚。”金辉乐比了一下手势,以此来示意化学教材上繁复的知识点。“化学是个实验科学,实验相关的动手操作比较多,所以我比较注重学生实操能力的的拓展,以及学习思维和方法的培养,而不是简单的书本上的知识点学习。”金辉乐说,为此,上课他更注重思想和思维的启发,注重把生活内容、工业实践以及前沿科研成果融入课堂,努力使学生获得更直观的收获。

2015年,金辉乐参与编纂的教材《化学案列:实验与探究》正式出版,他也尝试在课程体系、教学体系、教材体系上进行创新。与此同时,从2019年7月起至今,他还担任了湘潭大学的校外博士生导师。

 

金辉乐在办公室工作

索的结晶

随着化石能源的日益枯竭和环境恶化问题的日趋严重,寻找清洁、高效、安全的新能源已成为当前社会迫切需要解决的重大问题。发展高性能的能源材料是新能源开发与利用的关键,也是材料与能源交叉领域的研究热点和重点。金辉乐说,这也是我当年为之转型碳材料研究方向的初衷之一。

近年来,金辉乐以化学、材料科学两个ESI全球排名前1%的学科为支撑,以省碳材料技术研究重点实验室和省微纳结构碳材料技术国际合作基地为依托,致力于面向碳基能源材料的设计合成、形成机制的基础研究与产业化开发,在学术贡献、重要创新方面有了多项重要成果。

如针对碳基超级电容器由于多孔碳密度低导致体积容量和体积能量密度低的核心科学问题,金辉乐通过杂化和孔结构调控,开创性地提出并建立了一种基于含氮杂环化合物(如吡啶、磷腈)与卤代共轭二烯间的原位脱卤聚合新方法,构建了系列具有超高密度(1.5-2.1 g.cm-3)的尺寸、孔径以及杂原子掺杂量可调的碳小球,并实现了规模化制备与应用。为进一步降低成本,我们创新性地利用可再生的廉价生物质杨梅、鸡蛋等为前驱体,低成本量化制备了纳米固体(FeSN-C)储能材料。金辉乐说,该材料创造了生物质碳基材料迄今最高的体积比电容(1320.4 F/cm3)和体积比能量(221.9 Wh/L)以及大电流充放电条件下的最长循环寿命。

此外,高体积容量、高能量密度、超快充放电的长寿命碳基储能材料的低成本批量制备仍是金辉乐当前最重要研究课题之一。碳材料的应用在能源、新型电池应用和研发方面,有着广阔的前景。金辉乐说。他之后将在前期研究的基础上,开辟一种基于卤代烃原位脱卤聚合的新方法和新技术,解决传统碳基电容器电极材料在实际应用过程中体积能量密度低的关键缺陷,提升碳基超级电容器体积容量、体积能量密度和超快充放电性能,推动我国小型化、轻量化便携式电子产品的快速发展。

近五年,金辉乐先后主持3项国家自然科学基金项目、1项浙江省自然科学基金项目,及4项企业产业化研发项目(约300万),相关研究发表SCI学术论文79篇,5篇入选ESI高引论文,其中以第一/通讯作者发表IF>20的论文4篇,IF >10 的论文10篇,包括J. Am.Chem.Soc.(1篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(3篇)、Adv.Mater.(1篇)、Adv.Energy Mater.(3篇)。论文引用超过1200多次。多项研究成果被全球科技媒体如MaterialView、X-mol等报道,并应邀为Angew. Chem. Int. Ed.、Advanced Energy Materials以及Small等撰写综述论文。

与此同时,他还获授权中国发明专利32项,其中申请国际PCT发明专利2项,担任Wiley出版集团国际学术期刊《Carbon Energy》的执行编辑和《Frontiers in Chemistry》编委,多次组织和担任国际学术会议副主席,并应邀在国际和国内会议、高校等报告10余次。2019年11月,2019国际能源存储与转化功能材料大会暨第二届中国温州碳能源材料高峰论坛会议在温州召开,金辉乐作为大会副主席,与与会的各位专家学者围绕“碳能源材料”主题,针对能源材料领域的关键科学问题和碳材料领域的研究热点、难点展开深入讨论,促进学科交叉

向产业化进发

2020年3月,金辉乐正式入选2019年浙江省“万人计划”青年拔尖人才,这也是对他近些年来在科研成果上的一种认可。

“近年来,我们一直致力于面向能量转换与存储的碳基纳米结构材料的设计合成、结构调控及应用的基础研究与产业化开发工作。”金辉乐说,“把手头的科研成果落到实处才是我们研究的最终动力,因此我们一直在将研究内容与温州当地产业结合,转变成有实用性的研究结果。”

2016 年11月,在浙南科技城与温州大学的支持下,金辉乐参与建立了温州大学新材料与产业技术研究院并担任副院长,致力于人才引进、项目孵化及技术研究工作。“研究院现在是一个研发的中试基地,也是一个引才的平台,在这里会进行核心技术的实验。现在已经有多个团队入驻。”金辉乐说。他自己也有一只团队目前入驻在那边。

“我们团队有8人,其中教授3人,副教授2人,且6人具有博士学位。团队专门从事电池的生产制作,平常跟企业接触得很多,产业氛围十分良好,并且我们还在那边建立了一条小型的中试生产线,一些新型的、高密度、高容量的碳材料电池目前都能进行生产。”金辉乐说,虽然目前新型电池的产量小,成本还是略高,但在后续会进一步在数量级上继续向上突破,把成本压缩到可控范围之内,往产业化那块走,争取将这些新型电池达到日常民用的程度,应用在各个领域。

“我们有关新能源材料可以跟温州的产业对接起来,如温州的锂电池,电动车等能源企业,之后会将我们这些材料和批量合成技术用在未来的动力电池,超级电容器上等。”金辉乐说,“同样温州的低压电器产业也很发达,如果能将碳材料应用到低压电器的电接触材料上面,不仅可以节省成本,还能提高效率,因此和企业建立研究中心进行产业化布局,是我所期望的。”

金辉乐提到,为了适应未来的趋势,目前团队已经成功开发了柔性电池。设想一下,不久之后的衣服表面会装上许多传感器,来监测人体的各项健康数据,而这时候柔性电池就能应用在衣服上,给这些传感器和电器元件供电。这种柔性电池既轻量化又能折叠,充电迅速,在尽可能小的体积上有着超高的能量密度,这样一想,科幻片里的“战甲”也离我们不远了。

与此同时,金辉乐利用碳基材料在强度、硬度、光学、耐热性、耐辐射、耐化学药品、导电性、导热、表面与界面特性等方面优异的性能,组建了碳基功能材料产业化团队,与加拿大滑铁卢大学的陈忠伟院士合作,在其企业温州玖源锂电池科技发展有限公司进行纳米结构碳基材料的控制合成及在燃料电池、锂硫电池、超级电容器方面的研究和测试。

此外,还与全国最大的氟化工基地巨化集团、华峰集团、浙江德斯泰新材料股份有限公司(汽车玻璃复合膜)等进行合作,替他们进行转型升级,产线改建,成功开发了多种产品如电子级乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)膜、四氟乙烯膜(PTFE)、聚酰胺66改性基料树脂、高强度防弹汽车玻璃中间复合PVB膜等。

  “通过独立研发和技术转让、或者是和企业共建研发中心等方式,我们把科研从原来纯粹的基础研究,拓展到行业和产业上来,是实实在在有产品的,有成果落地的。对我们科研人员来说,看到自己的心血结晶一步步地转化,是一件很值得高兴的事。”金辉乐说。