108-中国矿业大学(北京)长江学者候选人申请表.pdf
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1、 中国矿业大学(北京)长江学者候选人申请表中国矿业大学(北京)长江学者候选人申请表 岗位名称岗位名称: 化学化学工艺工艺 特聘教授特聘教授 申请人姓名申请人姓名: 韩敏芳韩敏芳 申请人国籍申请人国籍: 中国中国 申请人现任职单位申请人现任职单位: 中国矿业大学(北京)中国矿业大学(北京) 申请时间申请时间: 20122012 年年 2 2 月月 7 7 日日 中国矿业大学(北京)人事处制中国矿业大学(北京)人事处制 一、简表一、简表 姓名 韩敏芳 性别 女 国籍 中国 出生年月 1967.7 最后学历毕业时间及学校 工学博士,2002 年 6 月,中国矿业大学(北京) 学位 博士 现任职单位
2、中国矿业大学(北京) 现任专业技术职务 教授 现任行政职务 化学工程系 副主任 从事专业关键词 燃料电池,发电系统,能源化工 主要学术兼职 1. 国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目 首席科学家 2. 北京市重点交叉学科清洁能源学 学科带头人 3. 中国硅酸盐学会 固态离子学分会 理事 4. 中国硅酸盐学会 特陶分会 理事 5. 中国仪表材料学会 储能、动力电池及其材料专业委员会 委员 6. J Material Science and Technology 、硅酸盐学报 编委会成员 7. 曾(担)任国际学术会议主席 2012,The Asian SOFC Symposium, 昆山,
3、 中国,执行主席 2010,The Asian SOFC Symposium, Kyoto, Japan,联席主席 2008,The Korea-Japan-China SOFC symposium,Pohang,Korea,联席主席 个人简历(包括 学习简历和工 作经历) 学习简历:学习简历: 1985-1990 清华大学,化学工程系/材料科学与工程系,工学学士 1990-1993 中国矿业大学北京研究生部,矿物加工利用系,工学硕士 1999-2002 中国矿业大学(北京) ,化学工程系,工学博士 工作经历:工作经历: 1993-1996,中国矿业大学北京研究生部,矿物加工利用系,助教 19
4、96-2000,中国矿业大学北京研究生部,矿物加工利用系,讲师 2001-2005,中国矿业大学(北京) ,化学工程系,副教授 2005-至今,中国矿业大学(北京) ,化学工程系,教授,博导 2005-至今,中国矿业大学(北京) ,煤气化燃料电池联合研究中心,副主任 2006-至今,中国矿业大学(北京) ,化学工程系,副主任 2008-至今,北京市重点交叉学科清洁能源学,学科带头人 2011-至今,国家973 计划项目 首席科学家 海外工作经历:海外工作经历: 2001 年,德国 德累斯顿工业大学(Technical University of Dresden) ,访问学者 2008 年,瑞士
5、 联邦工学院苏黎世(ETHZ) ,访问教授 多次短期出访美国、英国、德国、丹麦、日本、澳大利亚等大学和科研机构,开 展讲学和学术交流活动 所在平台、基 地、团队简况 能源是社会发展的基础。中国矿业大学是一所具有能源特色的理工科大学,长期 从事煤炭相关科学技术研究,在煤炭开采、加工利用、转化等传统领域有着很强的技 术积累和学科优势,同时也肩负了发展以煤炭为基础新能源学科的责任。依托于煤 炭资源与安全开采国家重点实验室 、 国家985 优势学科建设平台和国家211 工程 学科建设平台,申请人开创了以煤炭为基础直接高效发电系统即碳基燃料固体氧化物 燃料电池(SOFC)发电系统领域相关研究工作,试图改
6、变通过燃烧取出煤炭内能的 单一方式,来实现通过电化学反应直接将煤炭等燃料化学能向电能转化。 自 1999 年开始 SOFC 相关科研工作,依次推动了下列基地建设工作: 2005 年,中国矿业大学(北京)与上海交通大学联合成立煤气化燃料电池 联合研究中心 ; 2006 年, 负责完成211 工程建设项目碳基燃料固体氧化物燃料电池发电系 统 科研平台建设; 2007 年, 负责完成985 优势学科平台建设项目煤基高效、 洁净利用新能源 技术 ; 2008 年,作为学科带头人,负责北京市重点交叉学科清洁能源学学科建设 工作(在建中) ; 2008 年,作为基地常务负责人和联系人,主持国家高等学校学科
7、创新引智计 划(111 计划) 能源科学技术创新引智基地(编号 B08010,A 类) 建设工作 (在建中) ; 2010 年,团队引进千人计划美国工程院院士 Subhash C. Singhal 博士; 2011 年,推动成立中国-澳大利亚能源与矿业联合研究中心。 目前,团队现有骨干人员 9 人,博士和硕士研究生 28 名。其中,中国工程院院 士 1 名, 千人计划 1 名, 973 计划项目首席科学家 1 名,教育部新世纪优秀人 才 2 名,引进年轻骨干教师 4 名,他们分别来自于英国、瑞士、美国和中国科学院。 团队承担国家973 计划 项目、 863 计划课题 、自然科学基金(重点)项目
8、、 国际合作项目等 20 余项,科研经费超过 3000 万元,获得各种奖励 8 次;累计发表学 术论文 145 篇,2006 年以来发表论文 92 篇,其中 SCI 收录 35 篇,EI 收录 47 篇;申 报发明专利 26 项,获得授权 13 项;出版论著 5 本。多次组织和主持了全国和国际学 术会议,开展国内外学者交流互访。还与两个企业联合建立了产业基地,以推动 SOF C 在中国的产业化进程。 二二、申请人主要学术贡献、重、申请人主要学术贡献、重要创新成果及其科学要创新成果及其科学价值或社会经济意义价值或社会经济意义 (本栏主要填写近五年取得的学术成绩,五年前取得的特别突出的学术贡献和重
9、要成果也可在此栏反映) 能源是社会发展的基础。以煤炭、石油、天然气等为代表的化石燃料是中国(比例90%)乃至世 界(比例80%)的主要能源资源,其平均发电效率仅为 30%左右,迫切需要提高。其次,传统发电方 式大规模的污染仍然没有得到根本解决,给社会带来严重的环境问题。燃料电池(Fuel Cell, FC)是一 种将燃料的化学能直接转换为电能的发电装置,具有能量转化效率高(一次发电效率为 40-60%,系统 热电联供效率 60-80%) 、污染小等优点。根据所使用的电解质不同,燃料电池主要分为固体氧化物燃料 电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(
10、Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC) 、磷酸 盐燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)和碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cells, AFC)等。上述燃料电池系统一次发电效率依次是 50-60%(SOFC) ,40-50%(MCFC) ,40-50%(PAFC) ,40%(PEMFC) ,50-60%(AFC) 。其中,SOFC 热电联供系统效率最高, 其能量转化率达到 80%以上。 SOFC 的另一个突出优点是可
11、以不使用纯氢燃料, 而直接使用化石燃料,如气态的天然气(CH4) 、煤相关的气化煤气(含地下气化煤气) 、焦炉煤气(主 要成份是 CO、H2、CH4)和煤层气(主要成份是 CH4)等,液态的(以异辛烷为主要成分的)汽油Science 308(2005): 844;Electrochem. Commun. 10(2008):1295、航空柴油和醇类等,和固态的焦炭和煤等11th SECA(2009),USA;J. Power Sources 167(2007): 250。因此,SOFC 发电技术是实现化石燃料尤其是煤炭 高效转化和洁净利用的有效途径J. Appl. Electrochem. 34
12、(2004):1287;中国先进能源技术发展概论(2010), 北京。煤基燃料 SOFC 系统发电效率的提高,直接降低单位发电量的 CO2排放;另外 SOFC 系统中产 生高浓度 CO2易于回收处理,有望实现煤炭能源利用过程中近零排放。SOFC 能源系统还适合模块化设 计,可以组装成不同规格的发电和动力系统,安装灵活,很容易与现有各种燃料及燃料供应基础设施兼 容。因此,基于我国能源结构现状,发展以煤炭为基础的 SOFC 发电系统,将为我国以化石能源尤其是 以煤为主体的能源结构和以燃煤发电为主的电力结构调整做出重要贡献。 基于上述背景和认识,申请者立足于煤炭行业,十余年来一直致力于以煤炭为基础的
13、 SOFC 高效发 电系统相关研究工作,先后主持和承担了国家科技部 973 计划项目碳基燃料固体氧化物燃料电池体系 基础研究(2012CB215400)、国家自然科学基金重点项目碳基低温固体氧化物燃料电池关键材料基础 科学问题研究(50730004)以及国家 863 计划项目等,取得了下列主要成绩: (一一) 提出了适合煤基燃料高效转化的提出了适合煤基燃料高效转化的高性能固体氧高性能固体氧化物燃料电池化物燃料电池体系,设计体系,设计出出全新结构串、并联混合的全新结构串、并联混合的 电电堆堆结构结构,实现了电堆的可拆卸,实现了电堆的可拆卸,提高了提高了体系体系稳定性稳定性。 “十一五”期间,申请
14、者先后承担了国家“863 计划”项目:“中温平板型 SOFC 模块发电系统的 研制(2006AA05Z148)”和“新型高效副产氢气制备技术研究(2006AA11A189)”,国家自然科学基 金重点项目“碳基低温固体氧化物燃料电池关键材料基础科学问题研究(50730004)”,教育部新世纪 人才支持计划:“煤气化燃料固体氧化物燃料电池相关材料和关键技术(NCET-06-0203)”,通过研究 取得下列主要成绩: (1) 提出提出了了可以直接使用煤基燃料的可以直接使用煤基燃料的抗硫抗硫、耐积碳阳极耐积碳阳极组元组元 在以煤基燃料为基础的SOFC高效发电系统长期运行过程中,含碳燃料在SOFC阳极处
15、发生复杂反应 形成固态碳沉积;煤基燃料中通常都含有一定量的H2S(通常在上百ppm量级) ,而燃料中微量的H2S都 会与阳极组元发生反应,生成惰性物质。上述两种因素都会大幅度降低阳极反应活性,导致SOFC发电 系统性能衰减甚至死亡,是制约SOFC直接实现煤基燃料高效转化的致命难题。因此,发展防止碳沉积、 耐硫腐蚀的SOFC阳极组元是SOFC发电系统走向商业化应用的关键Science 312(2006):254;J. Mater. Chem. 16(2006):1603。针对上述世界性难题,在前人研究基础上,结合合金阳极和钙钛矿陶瓷阳极的各 自优势,申请者提出了一种抗硫、耐积碳、可再生的新型微纳
16、结构的复合阳极组元,由陶瓷材料和合金 组成: Pr0.8Sr1.2(Co, Fe)0.8Nb0.2O4+ CoFe。 该复合阳极表现出很好的耐硫性能 (50ppm H2S含量稳定运行) 、 对含碳燃料(甲烷、丙烷)的高催化活性、长期稳定运行500h,超强的氧化还原再生能力(25次循环性 能不衰减),结果如图1和2。 图1 在含H2S燃料和碳基燃料下电池性能和氧化还原再生能力 图2 复合阳极组元抗积碳、耐硫稳定性 我们研制出的SOFC复合阳极(Pr0.8Sr1.2(Co, Fe)0.8Nb0.2O4+ CoFe)在扫描电子显微镜(SEM)下的 微观结构如图3所示,呈现多孔结构的陶瓷基体Pr0.8
17、Sr1.2(Co, Fe)0.8Nb0.2O4+(A2BO4+)和均匀分散在基 体表面上纳米Co-Fe合金颗粒共存状态。其中纳米Co-Fe合金颗粒是通过钙钛矿结构的阳极 Pr0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-(ABO3-)在SOFC运行初期经过燃料气还原得到的,这种原位新生的Co-Fe合 金对含碳燃料表现出较高的催化活性和良好的抗硫稳定性;经过原位还原过的阳极形成层状类钙钛矿结 构 (Pr0.4Sr0.6)2(Co, Fe)0.8Nb0.2 O4+(A2BO4+),表现出良好的抗硫性能、化学稳定性和较高的离子电导 率;在氧化气氛中,纳米Co-Fe颗粒重新被氧化复合到阳极钙钛矿
18、结构中,形成循环再生。 Co/Fe alloy 图3 复合阳极(Pr0.8Sr1.2(Co, Fe)0.8Nb0.2O4+ CoFe)微观结构(SEM) 这种复合阳极同时突破了使用煤基燃料中固态碳沉积和硫中毒两个致命问题,其良好的氧化还原循 环再生能力又解决了SOFC运行过程中燃料供应突然中断时阳极体系快速氧化膨胀致使SOFC体系全面 破坏的难题。相关成果申请国家发明专利1项(申请号: 2009101573071) ,发表学术论文3篇,代表性成 果发表在高水平杂志Advanced Materials (2012,DOI: 10.1002/adma.201104852) ,影响因子IF:10.8
19、57。 (2) 发明并优化了发明并优化了中低温高活性阴极中低温高活性阴极组元组元 传统SOFC阴极采用La0.8Sr0.2MnO3-(LSM),由于LSM在SOFC工作温度降低时催化活性大幅度下降, 不能适应SOFC在中温范围(600-800)内工作,而维持高温(800以上)工作又给SOFC中连接体元 件和封接技术带来很大难题。因此,针对SOFC体系工业化生产和商业化应用,需要在运行温度和性能 输出两个方面寻求平衡。改善途径之一就是直接采用混合导体阴极组元,这样阴极反应区就不只局限于 电极-电解质-气相三相界面,而是整个电极都可以作为电化学活性区,大大改善电极性能。申请者开发 并优化了一种新型
20、、高催化活性、高稳定性的A缺位型混合导电阴极组元:Ba0.9(Co,Fe) 0.9Nb0.1O3- (BCFN) ,表现出了良好的氧催化活性和长期稳定性(如图4和5所示) 。该阴极组元具有良好的离子电 导率和电子电导率,Co、Fe组分为主使得混合电导材料具备良好的氧催化反应活性;B位引入高价Nb离 子提高了阴极的化学稳定性;A缺位结构进一步提高了阴极的结构稳定性。 图4 BCFN(30m)/GDC(20m) /GDC-NiO (500m)电池性能和极化阻抗 J Power Sources 196(2011)868-871 图5 BCFN/LSGM(300m)/LDC/NiO+GDC 电池性能和
21、长期稳定性 Electrochemistry Communications, 13 (2011) 882885 相关成果申请国家发明专利1项(申请号:201010168180.6) ,在Electrochem. Commun.(IF:4.282) 、 J. Power Sources (IF:4.290)、Int.J.Hydrogen Energy(IF:4.053)等本领域国际一类杂志上发表SCI收录论 文5篇,其中论文J. Power Sources 196(2011)868-871 在一年内被引用5次(他引2次)。 (3) 设计设计出出全新结构串、并联混合的平板式全新结构串、并联混合的平
22、板式SOFC电池堆,电池堆,实现了实现了电堆电堆的可拆卸的可拆卸 在国家授权发明专利(ZL 200310121171.1)中提出了全新结构的串、并联混合的平板式SOFC电池 堆结构,如图6所示。设计出特定形状和尺寸的连接体A、支撑体B、密封材料C、单电池D(电解质和电 极)组件,并依次给出了自主知识产权的相应元件的制备和加工方法,按照ABCDCB特定顺序组合在一 起,将热膨胀不匹配造成的内应力分散在合金连接体A和陶瓷支撑体B处,避免封接元件和单体电池直 接承载热循环应力,提高电池堆运行的可靠性(发明专利ZL 200510063146.1) ,延长了寿命;这种新型 结构还实现了电池堆的可拆卸,克
23、服了平板式SOFC电池堆中一片电池破坏,整堆报废的致命弱点。 图 6 平板式 SOFC 电池堆结构示意图和各种元件 图中:1-单体电池,2-弹性连接材料,3-密封材料,4-连接体,5-配气板 相关成果相关获得授权发明专利 3 项(ZL 2003 1 0121171.1、ZL 2005 1 0063146.1、ZL 2008 1 0102774.X) ,发表学术论文 2 篇,应邀在国际、国内学术会议上做邀请报告 3 次,相关成果获得 2011 年第十三届北京技术市场金桥奖项目一等奖(第一完成人) 。 (二二) 发展了固体氧化物燃料电池体系关键元件制备技术,发展了固体氧化物燃料电池体系关键元件制备
24、技术,发明了大面积、非均质、异相、多组元低温共发明了大面积、非均质、异相、多组元低温共 烧结方法,烧结方法,使使 SOFC 单元电池单元电池制作成本大幅度下降,制作成本大幅度下降,为为 SOFC 在中国的产业化发展奠定基础。在中国的产业化发展奠定基础。 在过去 5 年中,申请者承担了科技部国际合作项目:便携式固体氧化物燃料电池关键材料及系统 研究(2009DFA61360,与瑞士 ETHZ 合作),国家自然科学基金项目:SOFC(脊料-玻璃)双相封接材 料组成-结构演变机制(50872150),北京市产学研合作项目(发明专利) :固体氧化物燃料电池高温 封接材料制备和性能研究,北京市优秀人才培
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