博士说｜福布斯精英殷盼超专访：新视角探索材料基因，推动新材料产业革新！

发表时间：2022-01-14 14:03

材料博士论坛

“材料博士论坛”由广东省生产力促进中心指导，广东材料谷、广东博士创新发展促进会和广东省科技金融促进会主办，通过博士路演、博士专访、博士成果直通车、博士创业大赛、产业峰会五种形式开展，旨在搭建汇聚产业发展核心资源的平台载体。

本期专访第十二批国家高层次人才计划青年项目获得者，2017福布斯中国医疗、健康和科技组30位30岁以下精英榜入选者，华南理工大学教授、博士生导师殷盼超教授，共同探索材料基因，推动新材料产业革新！

作为第十二批国家高层次人才计划青年项目获得者，2017福布斯中国医疗、健康和科技组30位30岁以下精英榜入选者，华南理工大学教授、博士生导师殷盼超教授的研究方向集中在发展散射手段研究基于团簇分子的纳米复合材料的构效关系，去发展更具普适性的应用材料研发手段，并不断为社会输送“人才血液”，践行“真正地把论文写在祖国大地上”！

殷盼超

华南理工大学教授、博士生导师

第十二批国家高层次人才计划青年项目获得者

2017福布斯中国医疗、健康和科技组30位30岁以下精英榜入选者

文｜黄帅、黎芸妃

创/新/方/法

散射手段和纳米复合材料的巧妙结合

殷盼超教授长期深耕纳米复合材料和高分子物理领域，谈及以此作为自己的研究领域，他有着长远的思考：“目前我国在关于纳米复合材料的作用机制及物理相关的研究特别缺乏，与国际前沿技术相差甚远；但纳米复合材料在航空航天等领域具有广阔的应用场景，对于国家来说至关重要。”殷盼超教授希望发展散射手段研究基于团簇分子的纳米复合材料的构效关系，在我国纳米复合材料和高分子物理领域发挥自身所长。

殷盼超教授介绍，无机分子团簇是指一类尺寸处于1到10纳米的结构明确且单分散的一类化合物，其中最经典的代表是多酸、纳米笼以及多金属配合物。由于它们在催化、吸附与分离光电磁材料、生物活性材料以及在自旋电子学和量子计算上的大量应用，纳米分子簇的研究正成为被高度关注的交叉研究领域。

与传统的纳米颗粒不同的是，巨型分子簇具有单分散性、明确的分子结构（包含表面结构）和可调控/功能化的表面特性。因此除了其特征应用外，这些纳米尺度的分子也被用来作为简单物理模型来研究一些基础科学上的问题，例如聚电解质溶液行为、厌水作用的本质，以及手性作用的机制。

殷盼超教授专注于通过散射方法研究基于团簇分子的纳米复合材料。而散射方法在我国发展相对滞后，主要原因在于早期科研经费不足，难以建设散射方法研究需要的大科学装置。近年来，随着我国经济的快速发展，一些大科学装置在全国各地相继建立，散射方法在材料研究领域中也开始发挥出重大作用。

“散射有不同的方法。通过将光散射、小角X光散射以及小角中子散射等高分子物理手段综合起来，可以研究纳米分子簇的形成机理；通过利用非弹性中子散射等手段研究高分子-无机杂化材料中特定分子的动态行为，可以探索材料的新颖动态行为和性质。”在此基础上，殷盼超教授设计并合成基于分子簇-高分子的纳米复合材料，应用于质子交换膜、气体分离膜、抗冲击材料等产品。

成/果/斐/然

三种技术推动新材料产品技术革新

在殷盼超教授的众多研究当中，最具代表性的当属质子交换膜。

近几年，我国燃料电池市场迅速扩张、潜能巨大。在氢燃料电池中，质子交换膜燃料电池作为第五代燃料电池，是极具潜力的汽车动力源，近年来已成为电化学和能源科学领域中的研究热点。

作为燃料电池里面的重要器件，质子交换膜技术一直被美国垄断，他们采用全氟磺酸膜的技术来研发质子交换膜，但是存在制作困难、成本高、对温度和含水量要求高、某些碳氢化合物渗透率较高等缺陷。

“传统的全氟磺酸膜技术，有好处也有坏处。我们现在是想从另一个方向出发，不按照传统的机理、摆脱水这个体系来研发全新的质子交换膜。”在这个想法诞生后，殷盼超教授摒弃国外依靠全氟磺酸膜来制作质子交换膜的技术，在质子导电机理研究工作的基础上，将聚乙二醇与多金属氧酸盐复合，通过氢键构筑了稳定的三维网络结构，实现了质子的有效传递。

聚乙二醇-多酸纳米复合材料的结构及质子传导机理示意图

“我们的质子交换膜是基于完全不同的科学机制来研发的，性能可以媲美现有的商业化产品。”殷盼超教授自豪地介绍。聚乙二醇-多酸半固态质子导体材料具有较高的质子电导率、优异的力学性能、低成本和较高的安全性等诸多优点，对中国燃料电池工业技术发展具有巨大的推动作用。

除了质子交换膜，殷盼超教授在气体分离膜和抗冲击材料领域也有突出的成果。目前常见的混合基质膜（MMMs）材料在实际应用中面临着相分离和老化的挑战，同时会因聚合物/填料界面的缺陷而带来不利影响。殷盼超教授通过超分子作用（氢键和配位作用），以聚（4-乙烯基吡啶）（P4VP）为聚合物基体，配位纳米笼（CNCs）为填料制备了气体分离膜。

CNCs和P4VP复合的MMMs设计

P4VP与纳米笼之间的强相互作用减缓了聚合物动力学，使聚合物链段更加刚性，导致聚合物基体的受挫堆积和密度降低。这种效应使得纳米笼的微孔可以接触到外部气体分子，有助于体现MMMs中纳米笼的固有微孔，同时增强了透过选择性。超分子合成和聚合物动力学的简单策略为合理设计用于气体分离的功能杂化膜铺平了道路。

抗冲击材料具有较高的力学强度和优异的韧性，在汽车工业、航空航天、军工行业等领域具有十分广阔的应用前景。目前常见的聚合物抗冲击材料一方面很难兼顾刚性和韧性，另一方面超高的分子量使得材料的加工成型变得十分困难。而且，该类材料在失效后难以回收利用，带来了严重的环境污染问题。

殷盼超教授凭借在聚合物纳米复合材料领域的深厚积淀，提出了分子簇的物理插层行为可以为材料带来独特的粘弹性的观点，进一步以异辛基型笼形倍半硅氧烷（OPOSS）衍生物为构筑基元，由开环异位聚合法构建了一维“多足虫状”结构的杂化抗冲击材料（PolyPOSSs）。相比于传统的纳米复合材料，PolyPOSSs的结构更为明确，接枝密度更加可控。

道/阻/且/长

不断践行把论文写在祖国大地上

殷盼超教授基于散射手段对纳米复合材料的研究，设计合成了质子交换膜、气体分离膜、抗冲击材料等新材料，在性能和成本等方面具有诸多优势，未来在新能源行业、汽车工业、航空航天等诸多领域具有广阔的应用前景。但是这些创新性研究在产品的工业化上仍旧举步维艰。

殷盼超教授一直践行“把论文写在祖国大地上”，希望研发的产品能够得到实际应用，通过科研助力企业发展。“我个人的想法是，未来需进一步加强高校与企业的合作，并培养一大批优秀学生，带着高校的学术成果进入企业，助力企业科研，实现材料的优化。”

谈及未来的研究方向，殷盼超教授坦言，自己将在“十四五”期间负责“材料基因”的重点研发课题，希望可以助力国家在“材料基因”领域实现巨大突破。他还表示，“材料不仅是化学上或物理上的结构和功能，更重要的是通过材料加工过程去了解‘材料基因’。我们不仅关注材料的模拟和计算，以此去设计一些材料；我们还关注材料的加工过程，从材料设计、分子结构、加工过程的优化，去实现材料性能的提升及生产成本的控制。”

“我相信‍‍在‘十四五’期间，通过科学家们在‘材料基因’领域的不断深入，我国的材料设计理念会得到一个很大提升！”殷盼超教授对未来中国新材料的发展满怀希望。