2013级化学系博士杨军：让每一次实验失败，都成为下一次成功的参数
走访同学：2024级集成电路与微纳电子创新学院本科生 张芷清
杨军学长：复旦大学化学系2013级博士生，2022年至2023年4月赴韩国汉阳大学能源工程系留学，现任陕西科技大学材料科学与工程学院教授，主要研究方向为电化学能量存储与转换技术。
第一部分：求学经历
Q1：您为什么会选择复旦，选择化学专业？
先说化学专业。我本科学的是化学，硕士读的是无机化学，考虑到读博期间专业变动不宜过大，所以选择了物理化学，整体上仍在化学学科范畴内。
至于为什么选择复旦，其实是一种缘分。硕士毕业前夕，我一直有读博的打算，也需要考虑研究方向。硕士期间我的课题主要是燃料电池催化剂的设计与合成，属于材料电化学方向，因此读博时也希望延续电化学相关研究。当时国内许多高校在电化学领域都有出色的研究团队，也有不少我非常敬佩的导师。复旦大学化学系夏永姚教授的名字，我常在文献中看到，他在电化学领域的学术成就和影响力有目共睹，我也慕名已久。于是我给夏老师发了一封邮件，简要介绍了自己的情况，并表达了希望跟随他读博的愿望。夏老师很快回复，愿意接收我。后来我通过申请考核顺利进入夏老师的课题组，就这样机缘巧合地来到了复旦。
Q2：您在博士阶段是如何逐步确定研究方向的？
我博士期间的研究方向是锂离子电池正极材料，这是夏老师给我定的课题。当时夏老师的主攻方向是水系电池，简单来说，就是把锂离子电池中的有机系电解液换成水溶液。传统有机系电解液存在易燃、热稳定性差等问题，换成水溶液后安全性会大幅提升。除了这个方向，夏老师课题组也在做锂离子电池的正负极材料研究。
我硕士阶段做的是电催化，临近毕业时参加了一个招聘会，发现许多企业招人的方向都是锂离子电池，而电催化方向的岗位几乎没有。这让我萌生了博士期间转向锂离子电池研究的想法。后来第一次见夏老师时，他问我想做什么课题，我说想做锂离子电池。夏老师听后颇感欣慰，因为锂离子电池，尤其是正极材料方向，研究周期长、出成果慢，并不是一个容易突破的领域。当时国内这一领域的研究已经比较成熟，课题组里也有两位师兄正在开展锂离子电池正极材料的相关工作，于是夏老师建议我做高镍正极材料，研究方向就这样确定了下来。
Q3：您在复旦攻读博士期间，对您影响最深的一门课、一位导师或一段科研经历是什么？这段经历对您后来的职业选择产生了怎样的影响？
我后来才真切体会到，锂离子电池正极材料确实不好做。进组之后，光是材料的合成工艺，我就摸索了一年多，走了很多弯路，反复实验后才终于把工艺环节打通。我们研究材料，首先要把它合成出来，然后进行性能评估。在这个过程中，我遇到了不少坎坷。其实在我进组之前，已经有师兄师姐尝试过这个工艺，做了很久也未能突破，最后只能放弃。正因如此，夏老师听我说想做正极材料时，非常支持。我硕士期间发表过几篇文章，实验基础还算扎实，夏老师对我做这个课题整体上是比较有信心的。
然而做了两三个月，实验迟迟没有进展，我才真正感受到这个方向的难度。工艺周期很长：周一早上七八点钟到实验室，开始配溶液、搭建实验装置，进行沉淀反应；周二分离、提纯、干燥；周三预烧结、二次烧结，烧结周期很长；周四材料才能做出来，接着要涂覆；周五组装电池；电池组装完成后，需要测试第一圈的容量，大概要跑二十个小时左右。等到下周一早上，我才能看到第一条充放电曲线，才能判断我做的材料容量是否达标。也就是说，做一次实验就要整整一周的时间，周一开始，下周一早上才知道结果。
我坚持做了整整十三周。每周一早上来看数据，容量都不达标——理论上能做到200，但我们刚开始做的时候一直在100左右，最多也就150。然后下一周，我又重复同样的工艺流程。我有一个实验记录本，每周开展实验的过程中，我都会详细记下一些细节，比如颜色、状态等实验现象。当时经历了一次又一次的失败，师兄师姐也曾劝我，不行就放弃吧，或者换一个方案。但我一直想再坚持一下，因为每一周做实验的时候，我都会观察这一周的实验现象和上一周有什么不同，然后在下一次开始时做一些调整。
直到第十四周的周一早上，我去实验室的电池测试室，看到了那条非常漂亮的曲线——容量达到了200左右。那一刻心情很复杂。虽然投入了大量的时间和精力，换来的只是这个课题的“及格线”，但我觉得之前所有的努力都值了。这次经历也为我后期博士课题的顺利开展打下了很好的基础。从那以后，我对实验过程有了一套自己的心得，把这些工艺细节逐步固定下来。有些参数是可以量化的，比如时间、温度；但还有一些现象和参数无法用具体的数字来固定。比方说，高温烧结的过程中要通一个晚上的气体，气体出来之后会经过一个防倒吸的瓶子，我当时会观察那个气泡——是一秒钟冒一个，还是几秒钟冒一个？这个气泡的速率在整个实验过程中是动态变化的。像这些参数，我们写不到论文里那么精确，但我知道，它们在实验中的影响是非常大的。
这段研究经历，对我后来的帮助很大。一方面是毅力的磨砺——解决课题中遇到的问题，一定需要足够的韧劲；另一方面，是对实验现象的敏感度——很多关键信息，恰恰藏在那些无法量化的细节里。
Q4：您当时是如何做出“留在高校”这个选择的？
大概有这么几个因素。
第一是对研究的热爱。我小时候就对科学家很崇拜，那时候希望自己将来也能成为一名科研工作者——当然，现在最多算是个科研人员。初中的时候我就特别喜欢化学，对化学实验现象非常感兴趣，喜欢琢磨那些和化学有关的问题。高考填报志愿时，我把黑龙江大学化学学院的七个专业全部填满了——化学、材料化学、高分子化学、制药化学、化工、应用化学……全填上了。我对化学感兴趣，喜欢琢磨实验背后的科学原理，所以一直想从事和化学相关的学术研究。从本科到硕士再到博士，这条路对我来说是比较清晰的。
第二是向往高校自由的研究氛围。博士毕业后，我也考虑过进企业。但从学术研究的角度来说，企业的研发更多是以产品为导向，偏工程化研究。相比之下，我还是更向往在高校做学术研究，高校的氛围相对自由，研究方向可以完全依照自己的兴趣展开。而且高校的压力与企业相比也会小一些，不用“996”，时间上更自由、更有弹性。虽然高校的薪资待遇不如企业，但也有不少隐形福利。特别是最近几年经济环境不太稳定，体制内的工作确实更稳定一些。综合这些考虑，我最终决定留在高校任教。
Q5：您觉得支持您在科研道路上走下去的最重要动力是什么？
我觉得是对科研的兴趣，这是最重要的。它决定了一个人在这条路上能走多远。如果你对科研没有兴趣，或者兴趣不大，很可能坚持不下去；即使勉强坚持，也很难做出真正出彩的成绩。兴趣不是天生的，它是在学习的过程中慢慢培养出来的，是在锻炼学习能力和深入思考的过程中逐渐建立起来的。
Q6：您现在在大学的主要研究方向是什么？
我目前主要从事电化学储能与电催化两个方向的研究。
电化学储能方面，主要是锂离子电池和钠离子电池的正极材料。电催化方面，主要是电催化水分解产氢产氧。这两个方向都属于电化学的范畴，与能源问题密切相关，近年来也比较热门，和国家政策方针联系紧密，也呼应了国家“两碳”计划的战略部署。
先说电化学储能。无论是锂离子电池还是钠离子电池，基本结构都包括正极、负极和电解液。充电时，正极材料会释放锂离子或钠离子，放电时这些离子再回嵌到正极。正极在电池中的贡献率很大，能达到40%左右，负极约占20%，电解液20%，剩下20%是集流体、导电剂、粘结剂等辅助材料。所以说，正极是决定电池性能的关键部分。目前的电池容量主要受限于正极材料——正极的容量相对较低，而电池的整体容量遵循“木桶效应”，短板在哪里，整体性能就卡在哪里。我们目前的工作，就是开发高容量正极材料，希望把这块短板补高一些，从而提升电池的整体容量。
具体来说，我们研究的是如何在提高锂离子电池正极材料容量的同时，兼顾其稳定性。稳定性决定了电池的循环寿命，也就是一块电池能充放电多少次；容量则决定了电池的能量密度，通俗地讲，就是电池的续航能力——充一次电能跑多久。所以我们目前的核心目标，是开发高容量、长循环、高安全性的正极材料，主要面向下一代纯电动汽车的动力电池，具有很大的商用价值。
除了容量和寿命，快充能力和安全性也是目前研究的重点。电池的快充要求正负极材料在大电流下仍能快速发生电化学反应，这跟材料的本征性质有关。安全性则是车企和用户最关心的问题之一。现在的锂离子电池大多使用有机电解液，本身易燃；同时，一些层状氧化物正极材料在充电过程中，晶格氧可能会释放出来，氧阴离子氧化后生成氧气。如果电池发生短路，正负极接触，就有可能引燃电解液，再加上氧气助燃，很容易导致自燃甚至爆炸。因此，安全性是我们必须解决的问题。解决思路可以从材料端入手，让正极材料更稳定；也可以从电解液端入手，添加阻燃剂，或者干脆把电解液换成水系。但水系电池也有自己的问题：水的热力学电压窗口较窄，只有0~1.23V，而电池的能量密度等于正负极容量乘以电压差，电压窗口受限，能量密度就上不去。不过，水系电池仍然是一个非常热门的研究方向。另一个方向是固态电池，也就是把液态有机电解液换成无机固态电解质，或者准固态的高分子凝胶。相比于液态电池，固态电池的安全性明显更高，但全固态又会带来新的问题：正负极是固体，电解质也是固体，固固接触对电子和离子的传输阻力远大于固液接触，这会导致电池内阻较大。如何降低内阻，是目前全固态电池研究的重要课题。
再说资源层面的问题。锂在地壳中的储量其实很低，从国家资源战略的角度来看，我国的锂资源在全球储量中并不占优势。因此，这几年国家在逐步推动钠离子电池的发展。简单来说，钠离子电池就是把锂离子电池里的锂换成钠。钠的原子质量比锂大，所以钠离子电池的能量密度会比锂电池低不少，但一旦技术成熟，它的最大优势就是成本低，钠不会成为被“卡脖子”的资源。目前钠离子电池的产业路径主要是在大规模储能领域，还有一些小型动力设备，比如三轮车、电动工具等。而锂离子电池因为能量密度更高，主要应用于动力电池领域，比如电动汽车、电动飞机等。两种电池的性能不同，应用场景和发展路径也不一样。
除了锂/钠离子电池正极材料，我们课题组还在做电催化水分解，主要针对催化剂的设计。这部分工作其实延续了我硕士阶段的课题方向。氢气是一种非常重要的能源载体，能量密度高，在医疗、生物、化工、天然气、石油等领域都有广泛应用。氢气也是氢氧燃料电池的基本燃料，因此氢能源近年来一直是国家能源布局的重点方向之一。那么氢气从哪儿来？目前主流的制氢方式还是传统的化工路径，比如天然气重整、石油裂解副产物等，但这些方式效率较低，成本也偏高。因此，电解水制氢被提出作为一条重要的绿色制氢路径——通过电解水产生氢气和氧气。但电解水的能耗较大，能量转化效率偏低，需要加入催化剂来降低反应势垒。水分解催化剂中，性能最好的是贵金属，比如铂，活性很高，但成本也极高。小规模使用还可以，一旦规模扩大，成本问题就非常突出。所以我们目前也在开发一些非贵金属催化剂，比如氧化物材料，成本低很多。我们尝试通过调控氧化物的晶体结构、电子结构、材料形貌、表面状态等，使其发挥更高的催化活性。这个方向的目标，就是用低成本的非贵金属催化剂，替代贵金属，实现高效的水分解产氢。
Q7：作为青年学者，您面临着教学、科研、学生工作等多方面压力，您是如何平衡这些多重压力的？
作为青年教师，压力确实不小。刚入职的时候，面临从学生到老师身份的转换，并不是特别适应。读研、读博期间，我们只需要做好一件事——把自己的实验课题做好，没有其他事情来打扰，遇到困难时还有导师的帮助和指导。
但工作之后就不一样了。首先是家庭。成家之后，不像读研时那样什么心都不用操，一心扑在课题上就好。现在有家庭，有父母，也有孩子，肯定要给孩子留出陪伴的时间，这是家庭方面的责任。而在工作上，我们的身份也是多重的：既是老师，要承担教学任务；也是科研工作者，要继续做研究；同时还要为学科专业建设和发展做一些服务工作。
教学上的任务很多。刚入职那几年对课程不熟悉，要花大量时间备课。想讲好一门课，背后需要付出很多倍的时间和精力。我印象很深的是，我七月份入职，九月份就被安排了一门课——《电化学基础》。这门课理论性很强，虽然我博士阶段学过，但之前理论基础不够扎实，学得并不是很好。接了这门课后，我从暑假开始备课，几乎把整门课重新学了一遍——因为我自己必须先学会、消化掉，才能给学生讲清楚。那段时间真的很辛苦，上完一节课，紧接着就要准备下一节，根本没有喘息的时间。除了备课，还要应对各种教学检查，教学方面的琐事也比较多。
与此同时，作为一名刚入职的新人，还要承担很多公共性的事务，比如担任教学秘书、科研秘书等。学院有专业评估、课程申报、专业申报、学科评估、学位点申报、重点实验室申报和评估等工作，这些都需要人手。我们要配合学院的工作，写申报材料、汇总数据。我从2018年到2022年，连续五年担任学院的科研成果秘书，相当于一个没有工资的服务性岗位，但也是必须完成的工作。
再说科研方面。刚入职的时候，实验室条件完全跟不上。我最深刻的印象是，刚来时带了两个本科生做实验，学生一进来就问：“老师，没有天平。”没有天平意味着什么？就像一个厨师进了厨房，想做饭却发现没有刀。所以刚来那两年非常难，实验室条件极其简陋。当然，学校给我们配了建设经费，前期要调研、写申报材料，后面招标、采购，设备回来之后还要培训……一系列的事情下来，实验室建设就花了一年多的时间。
入职后的两三年，事情多、压力大。我们是以不同层次人才引进的形式入职的，和学校签了聘期合同，必须在规定时间内完成一定的科研和教学任务。那几年的压力确实非常大。在这个过程中，必然要有所舍弃。我的爱人在家庭方面付出得比较多，而我的时间和精力主要都投入到科研和工作上。四年聘期结束时，我所有条件都达标，顺利通过了考核。回过头看，那段经历虽然艰苦，但也磨砺了我多方面的能力——不仅是科研能力，还有同时推进多项任务的能力。这其实也是很多年轻老师刚入职时都会面临的问题，大家都在慢慢适应。毕竟毕业之后的那五年，是学术发展的黄金期。抓住了这五年，后面就会顺利一些；抓不住，后面可能就很难再追上来。
所以在这个过程中，一定要给自己一个清晰的规划。实现规划的过程中，难免会有取舍，但只要抓住了那几年，后面的发展节奏就会快很多。
Q8：相比于许多复旦学子留在北上广等城市发展，您为什么会选择回到西安？您觉得西安的学术环境和南方城市相比有什么不同？
我选择回西安，最重要的原因是家庭。
我从小到大都在西安成长和生活，对这座城市的感情，不只是对美食的眷恋，更是对这片有历史底蕴的土地的情感联结。我相信所有在外求学的西安学子，只要看到“西安”那两个字，就会有一种天然的亲切感。作为西安人，我也为此感到自豪。这可能也和陕西人的思维有关——相比东南沿海城市，陕西人确实没有那么“外向”，我们骨子里有一种乡土情怀。在外求学十一年，我依然觉得回西安是最好的选择。这种情感，大概是刻在我们骨子里的。
另一个因素是工作压力和生活成本。西安的生活成本相对较低，如果留在上海，生活成本会高出很多。我那时已经成家，需要考虑买房的问题。博士毕业时，上海的房价已经很高了，以我当时的经济能力，很长一段时间内都很难解决住房问题。而西安的房价当时低很多，同时西安的高校数量多，科教资源也很丰富，而我当时的目标就是进入高校工作，所以综合考虑下来，回到西安、进入陕西高校，是最适合我的选择。
至于学术氛围，我觉得这和学校、平台的关系更大，和地域的关系并不是特别大。主要还是看课题组、看学校的学风。但不可否认的是，越好的平台、越好的学校，学风通常也会越好；课题组在学术界的影响力越大，治学氛围也越严谨。
第三部分：寄语与建议
Q9：对于未来想要走学术道路的本科生，在本科阶段需要做哪些准备？比如需不需要提前进入课题组感受科研氛围？您有什么建议？
你提到的“本科生期间进实验室、跟着导师做一些学术训练”，我觉得是非常有必要的。
首先，可以利用这个机会多和导师沟通。导师一定会给你一些指导，当你有想法的时候，他会根据自己的经历和经验，给出很有建设性的意见，还会帮你做一些规划。到后面保研的时候，如果有合适的机会，导师也愿意推荐你。
更重要的是，及早接触学术训练本身也是一件非常好的事。它可以让你尽早受到科研的启蒙，了解科研的基本过程，接触学科前沿动态。你还可以在导师指导下参加一些创新创业大赛，或者参与到导师的科研项目中。很多研究生会带着本科生在实验室做课题，这也是为本科生参加创新创业项目做准备，同时锻炼他们的动手能力和实践能力。
我自己指导本科生的时候，也会要求他们参加每周的组会。组会上我们会讨论课题进展，他们也在不断学习、不断被启蒙，慢慢地对自己参与的课题形成自己的理解。我也会给他们发一些文献，让他们去读、去消化。我还把他们拉到研究生的群里，不定期在群里转发我们这个领域的科研动态和前沿文献，他们都能看到。在这样的环境里，他们其实是在接受一种“耳濡目染”的训练。
当然，要让本科生在本科阶段就做出成果、发表文章、授权专利，难度确实很大。个别学生确实能做到，但那是凤毛麟角。这些学生目标非常明确，他们不仅想接受系统的学术训练，还想出成果，有些人甚至比研究生还努力，两三年下来真的能以第一作者身份发表文章。但对于大多数本科生来说，本科阶段的科研训练更多是实现一次“科研启蒙”——让他们了解学术研究的过程，知道科研是怎么一回事。
但在保研的时候，这种经历的价值就体现出来了。大多数本科生在保研时都没有文章、没有专利，如果你手里有成果，立刻就能凸显出来，而且成果的加分是很高的。很多同学正是凭借这些科研成果拿到了保研资格。如果你的成果足够好，甚至可以被推荐到更顶尖的高校，这个认可度是很高的。每年我们招收研究生的时候，看到学生的简历里有学术训练的经历、有成果产出，第一印象就会非常好。也就是说，作为研究生导师，在考核学生时，最看重的就是他科研能力的展现——这比单纯的学习成绩更重要。
所以我鼓励你们，如果有机会，尽量多和导师沟通交流，尽可能参与到导师的课题中去，接受系统的学术训练，完成科研的启蒙，最好能有成果的体现。这对你未来的发展非常重要。因为科研考察的不是“会考试”的能力，而是你遇到问题时的深度思考能力和学习能力，是你在面对陌生、未知事物时的探索欲——这些才是从事科研工作最需要的素养。
当然，本科阶段学好基础理论知识也是不可或缺的。哪怕记不住具体的定律、公式，这些知识本身也在影响我们的思维方式。所以学习理论知识的时候，一定要学扎实、要吃透。这样当你未来遇到一个新问题时，尽管你可能没有直接接触过这个问题，但你是“有思路”的，你对这个问题的认识和没有学过相关知识的人是不同的。这种专业思维的影响，绝对是潜移默化的。
在学习过程中，还有一个更重要的能力，那就是学习能力。有些同学身上有一股“非要把问题解决不可”的劲儿，他们上手很快，能在短期内取得非常大的进步。学习能力应该伴随人的一生——活到老、学到老，不断在学习中成长。另一个重要的能力是深度思考的能力，这也是现在很多学生普遍欠缺的。有些人太浮躁了，总想不费太多力气就短期看到成果和收益，不愿意动脑，不愿意去思考，尤其是深度思考。但我觉得，深度思考恰恰是非常重要的能力——去琢磨一个现象背后的原因，去图书馆查专业资料，去挖掘现象背后更深层次的东西。这就是思考能力，是对知识的“较真”。当人与人带着思考去辩论、去碰撞观点的时候，矛盾点就会浮现，这反过来又会逼迫我们进一步思考、进一步解释。做学问、做研究的人，必须具备这样的能力。本科生阶段是学习知识、积累知识、塑造能力的过程，你们有大量的时间和精力，而且可以心无旁骛地去学习，更应该好好珍惜这个阶段，把每一件事做扎实、做到最好。有了这样的能力在身，你未来的成长空间会大很多。所以我认为，本科阶段的科研训练，既是学术训练，也是思维训练——这确实是很重要的。
Q10：您对在校的学弟学妹们有什么寄语？
你们现在很年轻，充满青春活力，拥有更多的时间和精力。我希望你们好好享受这难得的、美好的大学四年时光，享受没有工作和家庭压力的轻松和自由，好好生活。
同时，也希望你们能够扎扎实实地积累知识，不断增加自己的技能，塑造和提升自己的能力，为未来的职业发展打下坚实的基础。
