29岁山东女生单篇论文被引1151次，为解决能源环境问题提出新思路
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29 岁，仅一篇论文就已引用 1151 次，还曾和诺奖得主&前美国能源部部长朱棣文合写论文，这是山东女孩刘亚媛的 “战绩”。她曾师从崔屹，博士毕业于斯坦福大学，目前正在麻省理工学院（MIT）做博后研究。
图 | 刘亚媛（来源：受访者）
关于这篇引用量极高的论文，她告诉 DeepTech，这是一个探索电池负极的成果。论文题目为《具有纳米级层间间隙的层状还原氧化石墨烯作为锂金属负极的稳定主体》，并发表在 Nature Nanotechnology 上。
图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）
刘亚媛表示，当前商业电池一般使用石墨做负极，然后嵌入锂离子来储存能量。其局限性在于，单位体积和单位质量的石墨的可储存能量非常有限，每六个碳才能储存一个锂离子。
那么，如何提高负极的能量密度？
使用金属锂负极代替石墨负极是电池研究的终极目标，因为它具有高于石墨负极十倍的质量比容量。事实上，关于金属锂负极的研究早在五十年前，即锂离子电池研究的初期就开始了，但一直没能商业化，主要原因是锂非常活泼，即它的电化学非常不稳定。
金属锂一旦进入电解液，就会发生副反应从而极大地缩短电池循环寿命。并且在充放电的过程中，锂金属体积会发生巨变（一毫安时每平方厘米的能量至少会造成五微米的厚度变化）。
以手机电池为例，它起码有十几层电极，每层能量至少是三毫安时每平方厘米。如果把锂金属负极放在一个手机电池中，在手机的充放电过程中，至少有毫米级甚至更大体积的变化，这会让电池不稳定。
（来源：受访者）
因此，该研究是通过制作纳米材料来解决锂金属负极的电化学和体积的不稳定性，她发现氧化石墨烯的表面，跟熔融状态的金属锂之间有很强的相互作用力，基于此提出一种名为亲锂性的概念，然后把氧化石墨烯和处于熔融状态的金属接触，这时熔融状态的金属很快就能爬到石墨烯间隙里，并形成一个具有三维结构的复合电极。
（来源：受访者）
说到这里刘亚媛举例称，这和纸巾湿水的道理一样，即纸巾中的毛细力会把水吸进去。只是在该研究中吸的不是水，而是液态的金属锂。由于氧化石墨烯的质量很轻，此复合电极仍然具有很高的比容量（金属锂占到电极总质量的 90% 以上）。
更重要的是氧化石墨烯框架的引入，能让电极体积在充放电过程中维持几乎不变，并能通过稳定金属锂表面的钝化层以减少副反应，从而实现电池效率和稳定性的提高。
刘亚媛告诉 DeepTech，这一概念打开了新的实验方向，此后，来自世界各地不同课题组陆续报到了许多具有亲锂性的新材料。
她和崔屹团队还开发了一系列材料表面修饰技术，从而使不亲锂的材料转变为亲锂材料。
曾亲自参与美国能源部 Battery500 Consortium 项目
紧接着围绕上述研究，刘亚媛在读博期间还做了系列后续工作，他们把三维金属锂负极应用在固态电池中，并在 Science Advances 发表了论文《用于全固态电池的具有可流动界面的三维金属锂负极》。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
她表示，当下全固态电池也备受关注，而它有一个 “致命” 缺点：充放电过程中电极会发生体积变化，而固态电解质是一个硬结构，因此无法通过很好的形变来贴合电极的体积变化，一旦固态电解质和电极界面分离，就无法进行离子的传递，从而影响全固态电池持续高效的运作。
在该研究中她同样使用了三维电极，这种电极的比表面积很大，如此就能大大提高电极和固态电解质接触的面积，从而让全固态电池能在更高的电流和循环容量的情况下工作。
并且该技术具备普适性，因此可用于几乎所有的固态电池、无机氧化物陶瓷类、硫化物类，有机聚合物类固态电解质等。
（来源：受访者）
基于对于三维金属锂负极的研究，刘亚媛亲自参与了崔屹课题组和美国能源部的合作项目 Battery500 Consortium （电池 - 500）。该项目于 2017 年启动，旨在研发比能 500wh/kg 的电池。如果此举能够实现，电池比能将在目前基础上提高 2.5 倍。
朱棣文也正和崔屹团队合作推进金属锂负极的研究，后来刘亚媛还以第一作者撰写了论文《用于稳定锂金属负极的超强双层纳米金刚石界面》，并被 Joule 收录，其中朱棣文和崔屹担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Joule）
她表示在斯坦福读博期间，导师崔屹对于科学的好奇心、以及解决实际问题的激情非常感染人。快毕业时，崔屹鼓励大家到其他课题组长见识。此外，斯坦福大学在美国西海岸，而 MIT 在东海岸，崔屹也希望刘亚媛能体验到不同的文化。
故此，她来到 MIT 做博后研究，导师为 MIT 大卫・H・科赫化学工程实践学院院长 T・阿伦・哈顿 (T. Alan Hatton)。
哈顿教授主要研究碳捕获、碳利用和碳封存。因此在 MIT 做博后研究期间，刘亚媛也开始转向电化学与二氧化碳捕集。
从电池到电化学二氧化碳捕捉，她并不认为是 180° 的大转弯，相反她觉得此前积累的电池经验，也适用于目前的研究方向。她说，电化学碳捕集就像一个小电池，只不过充放电的时候不是在储存能量，而是在捕捉和释放二氧化碳。
MIT 做博后，开始研究二氧化碳捕集
对于二氧化碳捕集，目前工业常用方法主要是胺洗涤，需要通过高温反应来进行二氧化碳的捕捉和释放，但高温反应非常消耗能量。
而刘亚媛的研究方向，是使用具有电化学活性的有机分子来进行二氧化碳捕集。这种有机分子在被电化学还原时可以捕捉二氧化碳，并能在被电化学氧化时再次释放二氧化碳，如此就有望实现在空气中捕捉二氧化碳。
和现在工厂中常用的复杂装置不同的是，该技术的重点在于能用太阳能和风能来做电化学反应，故此它是非常模块化的装置，也非常容易被安装。
2020 年 5 月，她以 MIT 博后的身份，在 Nature Communications 发表了论文《用醌分子在高盐浓度水介质中的电化学介导的二氧化碳分离》。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
她告诉 DeepTech，这篇论文的成果在于利用调控电解质的成分，来让电化学介导的二氧化碳捕捉技术更高效。此前研究中，人们主要使用有机电解液来进行电化学二氧化碳捕捉，但有机电解液是可燃的因此安全性能不够好。
而这一成果的好处在于通过调控水系电解液的成分，让电化学介导的二氧化碳捕捉技术可以在水溶液中进行，如此不仅能增加安全性，还可增加二氧化碳的捕捉效率。
五个月后，她又在 Science Advances 上发表了题为《动态可控的电化学介导的气体门控膜》的论文。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
该研究是通过新材料的应用，研发出一个小型的纳米气体开关，并通过加电压的方式来控制开关，从而形成连续性的二氧化碳捕捉和释放。
2020 年，刘亚媛担任第一作者的论文都是研究电化学捕捉二氧化碳。而碳捕集、碳中和的概念在 2021 年初才真正 “破圈” 为更多人所知。谈及所做研究的前瞻性，刘亚媛表示其博士后导师哈顿教授关注电化学捕捉二氧化碳已经十年有余。
2022 年 1 月，刘亚媛即将进入高校担任教职。未来她打算利用电化学原理、以及纳米材料的制作和表征，来解决能源和环境问题。
具体来说，她仍将研究二氧化碳的捕捉，目前使用电化学来捕捉二氧化碳，仍处于非常起步的阶段。再就是，捕捉到二氧化碳之后如何转化成有用化学物质，这就需要电化学的二氧化碳还原，即需要做一个模块化的电化学装置来实现二氧化碳的直接捕捉，然后转化成有价值的碳质燃料和化学品。
除了二氧化碳的分离，她相信电化学的方法也能广泛应用于其他化工分离过程，如水处理、制药中混合物料的分离等。目前这些分离工艺往往能耗都比较高。因此，她希望在未来攻克这些难题。
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