【我的英才之路】上海市英才计划优秀学员培养案例选编(八)
发布日期:2017-09-07 09:11:05   阅读数:421

【前言】

  上海市科协根据《中国科协办公厅关于开展中学生科技创新后备人才培养计划试点工作的通知(2013)23号》要求,以复旦大学、上海交通大学为试点单位,于2013年4月正式启动了中学生科技创新后备人才培养计划(即中学生“英才计划”)试点工作。试点工作开展三年以来,两所高校共推荐了110位知名科学家担任导师、执行导师,每年指导来自上海中学、华师大二附中、七宝中学等十余所高中的60名优秀中学生开展课题研究,目前累计培养人数达258人。在为期一年的培育中,中学生“英才计划”学员在近几年的上海市青少年科技创新大赛、全国青少年科技创新大赛及ISEF、INEPO、SWEEEP等国际国内青少年科技类赛事中取得了优异的成绩。

在近期的微信推送中,我们将摘录上海市历年优秀“英才计划”学员的结业报告。希望通过这一展示总结分享中学生“英才计划”学员的经验与成果,激发更多青少年的科技兴趣,激励他们热爱科学,为建设世界科技强国贡献自己的青春力量,也希望有更多上海市优秀青少年能够关注并加入到“英才计划”来。



案例八
【学生简介】

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黄旭,南洋模范中学2015届毕业生

2015年英才计划上海交通大学化学学科培育学员,

2016年英才计划上海交通大学化学学科继续培养学员,

现就读于华东理工大学化学与分子工程学院化学系、


【导师简介】


 

  陈接胜,现任上海交通大学化学化工学院教授,博士生导师。英才计划上海交通大学化学学科导师之一。

  1979-1986年在广州中山大学学习,先后获理学学士和硕士学位;1986-1989年在长春吉林大学学习,获理学博士学位;1990-1994年在英国大不列颠皇家研究院从事博士后研究工作;1994-2007年任吉林大学化学学院教授;2008年调入上海交通大学工作。曾获1990年度中国化学会青年化学奖,1997年度香港求是科技基金会杰出青年学者奖,2000年度中国高校自然科学奖二等奖,2006年度国家自然科学奖二等奖等奖励。截至2008年中,在国内外有影响的学术刊物发表论文150余篇,论文被引用2000余篇次。1997年获国家杰出青年基金资助,2000年被聘为(第二批)教育部长江学者奖励计划特聘教授。

  主要研究方向包括无机合成与制备化学;固体材料化学。


  王开学,博士,现任上海交通大学化学化工学院特别研究员,博士生导师。英才计划上海交通大学化学学科执行导师之一。

  1993-2002年在吉林大学学习,先后获理学学士和博士学位,主要从事无机微孔材料的晶化机理及定向合成研究;2003-2007年在爱尔兰国立科克大学化学系从事博士后研究,主要研究超临界流体条件下合成介孔氧化物薄膜、介孔纳米线阵列、碳纳米管和微孔化合物;2007-2008年在日本的产业技术综合研究所担任JSPS特别研究员,主要研究具有特殊结构和形貌的过渡金属氧化物、磷酸盐和碳材料在能量转化和储存器件方面的应用。




培养成果】

   黄旭,于2015年9月参加了上海交通大学“英才计划”,跟随上海交通大学化学化工学院导师陈接胜、执行导师王开学进行物理学探究学习。 在陈教授及其团队的指导下开展了名为《石英砂子制锂离子电池电极材料研究》的课题研究,获得上海市第三十一届青少年科技创新大赛三等奖。2015年获OM(头脑奥林匹克)竞赛全国三等奖、上海市中学生数学建模竞赛一等奖、全国高中化学联赛上海市三等奖、白猫杯化学竞赛上海市三等奖。以优异的培养期表现,以优异表现经过上海交通大学教务处及导师综合考核获得了作为2016年中学生英才计划正式学员的身份继续接受导师培养的资格。



【学生感悟】

  从2014年9月份开始STEM学习,到现在已一年有余,随着2015年尾声的到来,本期英才计划活动已进入收尾阶段。一年多的学习和实践让我从一张白纸变成了一本记满了收获与心得的笔记本。英才计划培养了我的思维,开拓了我的眼界,给予了我学习与研究的平台,使我收获颇丰。现将2015级英才计划一年来的工作总结如下:

课题由来:

  2015年1月30日,在上海2015年中学生英才计划上海交通大学师生见面会上,我与另两位化学类课题的同学初次与各自的导师见面。作为家庭化学实验党,我对化学类课题有着非同一般的兴趣。一开始我希望研究晶体的成核机理,在与王导师的交流中,我逐渐了解了另一种更让我感兴趣的科技热点--锂电池。

  锂离子电池是时下的科技热点,如何制作出更有效率、更经久耐用的锂离子电池电极材料是非常有前景的一个研究课题。在与导师的交流中,我了解到现在的锂离子电池正处于技术瓶颈,商业化的负极材料一般是石墨类碳负极材料,其容量已接近理论值,且由于固体微观结构的原因,锂离子电池在使用过程中会逐渐降低性能,最终无法使用。在各种合金化储锂材料中,硅的容量最高,且安全性高于石墨。用石英砂子制锂离子电池电极材料是用大量且常见的材料来制作特殊材料,可以相对降低成本,符合绿色理念,对商业化应用具有极大优势。在了解了一系列相关的背景资料后,我最终确定了课题,打算使用石英砂子来制作锂离子电池的电极材料。


课题背景:

  继早期的不可充电的锂电池之后,日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池。在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

  然而,锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

  为了解决这个问题,科学家们从很早就开始了锂离子电池电极材料的研究。1997年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸铁锂(LiFePO4)是一种优秀的正极材料,它更具安全性,尤其耐高温,耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。而一直被用作商业化锂离子电池负极材料的石墨,面临着技术瓶颈等待我们去攻克。


初次实验:

  在与师兄进行交流后,我制定了完整的试验计划。首先我要在加热条件下用镁来还原二氧化硅,然后对硅进行酸洗、离心、干燥。取得单质硅后在其表面涂上导电涂层,然后装片做成半电池,放进专业的仪器进行性能测试。

  第一次实验正式开始,给我作指导的是杜飞虎师兄和马超师兄。第一个任务是研磨二氧化硅及镁粉,并将其放入坩埚充分混合,再放入加热设备中,在氩气气氛下保持650摄氏度高温进行300分钟的还原。为了让产物中的杂质尽可能少,取用药品时每一个器材都需在蒸馏水洗涤后放入烘箱干燥。本次试验取用了0.500g二氧化硅以及0.500g(过量)镁粉。

  观察实验中烧完的样品,其颜色从充分混合后的灰色变成焦黑色并微微泛黄。将其从坩埚中取出并倒入2M盐酸中进行酸洗,未完全反应的Mg与其反应放出少量氢气。将烧杯放上磁力搅拌器之后,我在漫长的等待期间又混合了一批样品,不过由于设备被占用,未能开始新一组实验。

  经过酸洗、离心、干燥后的硅已经可以用于制作负极涂料。在加入粘结剂以及导电剂并研磨均匀后,硅被涂抹在铜片上形成薄层,并放入真空干燥箱进行干燥。干燥完毕后使用切片机切出大小合适的圆片,在手套箱中进行半电池的组装工作。随后我在导师的帮助下,终于将第一批做好的半电池放入分析设备,开始了最后的电池性能测试。


课题展望:

  在锂离子电池负极材料中,石墨负极材料由于来源广泛、价格便宜、性能稳定,直至今日仍然占据市场的主导地位; 但是,通过前期对市场上销售的石墨负极产品进行电化学性能测试评价,发现石墨负极的大倍率放电性能较差,这也是智能手机为什么每天都要充电的原因所在。而新开发的合金类负极材料虽然质量比容量和体积能量密度较高; 但因反应过程中存在较大的体积变化,导致其循环稳定性差、不可逆容量大,至今未能实现产业化。过渡金属氧化物负极的充放电机理比较特别,比容量也较高,但其对锂的充放电电位较高,会降低电池的工作输出电压。由于金属氧化物负极材料的热稳定性好、安全性高,可以用做大规模储电的负极材料,不过这类负极材料的充放电反应机理有待进一步深入研究。零应变材料钛酸锂作为锂离子电池负极材料具有很长的循环寿命,由于其充放电电位在 1. 65 V,不会发生电解液的分解反应,电池的安全性较高,很适合用于大规模储电或者动力电池领域,是未来动力电池负极材料领域开发的重要方向之一。随着新能源的逐渐普及,开发高容量、高功率、高安全的负极材料将成为今后研究工作的重点,如果能从基础上搞清楚负极材料性能衰减的本质原因,必将有助于新型电池的研究与制作。


集体活动感想:

  10月30日,老师组织了一次在太阳岛举行的英才计划师生集体交流活动。10月30日晚上,来自不同学校、分别参加交大和复旦不同学科的学员们齐聚一堂,分成四个小组,由华东政法大学的三位学长带我们做了吹蜡烛、橡皮泥迷宫、纸张叠高和纸桥承重四个游戏,旨在促进同学之间的交流与认识。在纸张叠高和纸桥承重这两个OM经典即兴题的比拼中,我们惊讶地发现自己小组中不乏参加过OM的同学;在交流中我还找到了同样参加数学建模的同学,大家对彼此互相有了初步的认识。

第二天一早是各学科的课题交流活动,计算机组的同学们在短短的组内交流时间中制作了一份PPT,用来介绍计算机组每位同学的课题情况。大家的交流介绍时间非常令人愉快,从自己是如何想到这一课题,到现在的课题活动情况,随时会有令人感到惊奇或赞叹不已的想法,让我感觉受到许多启发。可以说,同学们之间的课题交流让仿佛我进入了一个新的世界。随后,老师为我们的活动做出了总结,并给予我们期望,让我们珍惜英才计划给予我们每位学员的机会,鼓励我们能在科创的道路上走得更远。

  可以说,这一年来的英才培训虽然次数不多,但是对我的改变非常深刻且长远。俗话说兴趣是最好的老师,我在兴趣的驱使下已推开了这扇门,有什么理由不进入科学的殿堂游历一番呢?相信这一年的经历能成为一个良好的开始,我将不懈地在探索之途上跋涉,但求真理。

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什么是英才计划?

  中学生科技创新后备人才培养计划(简称中学生“英才计划”)是由中国科协、教育部共同组织实施的一项拔尖创新人才培养计划。它的目的是通过支持著名科学家指导中学生开展科学探究项目,激发中学生对基础学科的兴趣,帮助他们把握科学本质、树立科学思想、掌握科学思维和科学探究方法、培养科学精神与科学态度,进而发现一批具有科学潜质的优秀中学生,促进科技创新后备人才的培养。

  上海市科协根据《中国科协办公厅关于开展中学生科技创新后备人才培养计划试点工作的通知(2013)23号》要求,以复旦大学、上海交通大学为试点单位,于2013年4月正式启动了中学生科技创新后备人才培养计划(即中学生“英才计划”)试点工作。培养工作开展四年以来,两所高校共推荐了110余位知名科学家担任导师、执行导师,每年指导来自上海中学、华师大二附中、七宝中学等十余所高中的60名优秀中学生开展课题研究,目前累计培养人数达258人。在为期一年的培育中,中学生“英才计划”学员在近几年的上海市青少年科技创新大赛、全国青少年科技创新大赛及ISEF、INEPO、SWEEEP等国际国内青少年科技类赛事中取得了优异的成绩。

  2017年中学生“英才计划”上海地区培育学员已于2017年1月正式进入了为期一年的培育流程,目前各位导师与学员经过6个多月的沟通交流,已建立了有效的沟通机制,培育工作也逐步进入正轨。各位学员也已按照导师的培养方案,陆续开始学习实验方法、阅读专业书籍,或正式开展实验探究,学生管理与培养工作正在顺利推进中。


2018“英才计划”上海地区学生申报选拔流程

2017年8-9月:学生申报

2017年10-12月:考核预备阶段

方式一:根据笔试考试要点自主备考

方式二:参加2017级英才预备班的学习

2017年12月中旬:中期考核

2017年12月底:“英才计划”网络申报、志愿填报、专家在线评审

2018年1月初:高校导师面试

2018年1月中旬:公布2018年“英才计划”上海地区入选学生名单

(具体日期根据管理办公室发布信息为准)



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