于“千淘万漉”中求真求实

李文博

近年来，受碳排放政策影响，各国都在努力实现二氧化碳减排。我国已明确提出碳达峰、碳中和中长期目标，并在“十四五”规划中指出将加快绿色低碳转型和可持续发展，推动能源清洁安全高效利用。

光电能源催化便是利用可再生能源太阳能制备清洁可再生能源的有效手段，其中光电催化制氢更被认为是21世纪的“梦技术”。光电化学传感也因简单、低背景和高灵敏度的优势，受到了广泛的关注。在光电催化制氢和光电化学传感器领域，我国科技工作者成果斐然。广东省科学院测试分析研究所光电功能材料与器件研究团队的负责人汪福宪正是这一领域的前沿技术探索者。

保持科研本心

时至今日，汪福宪依然记得，多年前的那堂中学实验课上，在老师的演示下，Na在水中剧烈反应产生氢气，然后氢气导入易拉罐跟空气混合，一个火花刺激，“嘭”地就爆炸了！奇妙的氢气爆炸实验成为点燃少年志趣的火苗。虽然接连在全国竞赛中拿下数学、物理奖项，2006年，汪福宪还是坚定地选择了武汉理工大学材料化学专业。

在校期间，汪福宪主动申请加入了傅正义教授课题组，在实验室不光做了许多有趣的化学实验，还接触到了材料制备与表征技术，为以后的科研打下基础。值得一提的是，材料学院经常会邀请国际上知名的材料学专家前来讲座，这些讲座成为汪福宪开阔视野，了解国际前沿技术研究的窗口。“从事科研，并且学以致用，做应用型研究的想法就是在那时产生的。”

2010年，汪福宪以数学满分150分，总分第一的优异成绩考取了华南理工大学化学工程专业，师从张正国教授和方晓明研究员，研究方向是热能高效储存与利用，两位导师顶天立地、求真务实的科研作风深深影响了汪福宪。在导师指导下，汪福宪陆续发表论文，于2013年毕业，前往在化工领域占据优势地位的德国柏林工业大学化学工程专业读博。

在德国读博的这几年，汪福憲经历了一场可谓是“千淘万漉”的磨炼。“博士期间，我主要是从事光电催化制氢研究，当时我的导师Roel van de Krol主持了欧盟最大的光电催化制氢应用项目（PECDEMO），我承担了其中光电薄膜的制备与表征应用基础研究，但是早期工作开展得并不顺利，前3年没有一篇论文发表。”

德国学校强调学生的动手能力，设备零部件买回来后，搭建镀膜及表征设备首先就耗费了不少时间。设备组装好后，调试和镀膜工艺开发也是困难重重。“在工艺开发阶段，有一个喷雾热解的前驱体配方的工作，我有300多个配方，热解后都不能成膜，什么都没有得到。”实验在反复失败中艰难地进行着，沮丧、彷徨、自我怀疑当然不可避免，但好在对项目的热情、从失败中总结规律的科学工作方式、导师的支持和肯定共同推动着研究继续下去。最终，汪福宪逐个设计实验，逐步排查，找到原因，并有针对性地添加了改性试剂，解决了前驱体溶液稳定性和铺展性的难题，获得了光电性能优异的催化电极。

“比较令我难忘的是，在还没有发表一篇论文的情况下，导师就鼓励我去美国参加MRS材料领域国际会议，我当时还拿到一个作口头报告的机会，是唯一没有论文发表就作口头报告的学者。”也正是因为在这一课题当中的不凡表现，在还没有毕业的时候，汪福宪就被导师推荐到Helmholtz研究所做助理研究员，博士答辩一过，他无缝对接地开始了研究工作。值得一提的是，博士生活虽然挑战连连，但汪福宪仍然像多数用功的中国留学生那样，只花了4年就毕业了。

在Helmholtz研究所工作期间，汪福宪延续了博士期间的课题，这也是他第一次独立承担一个科研课题。“我开发了一种全新的梯度自掺杂法，提出通过创建自掺杂内建电场的策略，提升了光电极的光电分离效率，相关工作发表在JACS上。这段工作对我来讲非常珍贵，为我日后创建团队，独立开展科研工作奠定了基础。”

德国求学和工作这5年，汪福宪接受了系统的科研培训，掌握了光电功能薄膜的制备、表征手段，具备了独立开展科研的能力，特别是在动手能力方面有了很大提高。“我当时已经能够独立设计、组装和调试光电功能材料相关的一些设备和仪器。”更为可贵的是，即便从事科研多年，汪宪福仍然保持着最初看见氢气爆炸实验时那种浓厚的兴趣。他说：“因为发自内心地喜欢，我常常不觉得辛苦。”

创建光电功能材料与器件团队

2018年，汪宪福结束在德国研究的工作，受邀回国加入广东省科学院，还没来得及办理入职，他就接到了参加“广东省高校科技创新成果项目”比赛的通知。路演在即，汪福宪单枪匹马，带着“氢”洁水源项目前往参赛，最终从573个项目中脱颖而出，获得了银奖。同年，光电催化制氢项目入选“广东省高校科技成果转化中心重点转化项目库”，汪福宪入选广东省科学院“百人计划”，在院、所领导的指导帮助下，他着手创建光电功能材料与器件团队。

目前，光电功能材料与器件团队共有10人，其中，引进了青年骨干1名，博士后2名，硕士2名，本科生1名，还有华南理工联合培养研究生3名。说到此处，汪福宪有些自豪：“我团队的刘琼博士入选了广东省科学院‘百人计划，成晖则入选了‘博新计划。他们都非常有发展潜力。”现在，不足3年，汪福宪团队已独立在相关领域做出了一系列创新转化成果，相关工作发表在AFM、CC等自然指数期刊上。

在关于梯度自掺杂铋酸铜光电极的可控构筑及其载流子迁移机制的研究中，汪福宪团队针对“喷雾热解可控性不强”的问题，设计了新型的功率渐变磁控溅射法，实现了梯度自掺杂光电极的室温可控构筑，相关技术已获2项PCT专利授权;针对传统电解水制氢技术中氢氧混合易爆，需要隔膜分离的难题，汪福宪团队开发了低温甲醇催化安全在线制氢技术，从根本上避免了氢气氧气混合易爆的难题，极大地提升了氢气制备过程的安全性。目前首款安全制氢仪样机已在进行中试和长时间运行各项参数测试，不久后就将面向市场生产;面对癌症这一世界性的公共卫生难题，汪福宪团队迎难而上，利用磁控溅射技术设计开发了一种高稳定性、可见光吸收的通用光电传感材料（CuV2O6），并构建了可见光驱动的传感器，实现了癌胚抗原（CEA）和人体血清甲胎蛋白（AFP）等多种肿瘤标志物的灵敏、精准检测，为癌症早发现早治疗贡献了力量……将科研成果进行转化与推广，造福社会，是汪福宪和团队成员一直以来的愿望，现在，他们也正坚定行走在这条道路上。

然而，作为光电催化领域重要的基础材料，潜在的光电催化材料种类异常繁多。再加上，每种材料都有独特性能，从众多的备选材料中筛选出优质光电催化材料，无异于大浪淘沙，任务艰巨。此外，不同研究团队使用的测试参数和条件也各不相同，光电性能因此无法横向对比。实验室研发所用到的光电测试仪器因无法做到微尺度的选区测试，很难配合现有的高通量材料制备技术，实现微米级别空间分辨率……制约条件凡此种种，汪福宪深知其艰。目前，他和团队正在进一步开发高通量原位表征设备，并引入理论计算与分析，加速材料筛选和优化，创建光电功能材料数据库。

“我们呼吁大家采用规范的测试标准，一些突破性的成果尽量找第三方检测确保结果的可靠性。”依托于广东省科学院测试分析研究所的国家级分析测试平台——中国广州分析测试中心，汪福宪团队已经初步搭建了能源材料与设备分析测试平台，现已具备光/电催化反应过程及产物的在线定性定量检测能力，并成功将同位素示踪法用于催化反应机理分析，已为国内外多家单位提供分析检测技术服务。汪福宪说：“未来，我们希望能继续完善能源检测平台建设，覆盖更多检测分析业务，为业界提供更可靠、优质的服务。”