曾經(jīng)，在人類走向工業(yè)化、現(xiàn)代化的進程中，不少國家選擇了一條“先發(fā)展再治理”的道路，在創(chuàng)造出巨大物質(zhì)財富的同時加劇了對自然資源的攫取。但所幸隨著人類環(huán)保意識的覺醒，今天世界各國已經(jīng)紛紛將“綠色”“可持續(xù)”奉為高質(zhì)量發(fā)展的要義，由此，新能源發(fā)展逐步走上“快車道”。而在一眾清潔能源之中，氫能以其綠色、高效、可持續(xù)的多重優(yōu)勢為人類帶來了高效拉動綠色發(fā)展進度條的美好希望，卻又以易燃、易爆、易擴散的特點考驗著每位能源、材料、化學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的耐心與“功底”。雖然，中國無論是在工業(yè)化建設(shè)還是氫能制備與儲存方面都較西方發(fā)達國家起步晚，但這并不會成為阻撓行業(yè)進階的桎梏。眼下，政府一再強調(diào)的“兩山”理念和“雙碳”戰(zhàn)略不僅為無數(shù)從業(yè)者指明了前進的方向，也吸引著遠赴各國深造積累經(jīng)驗的人才回流祖國，他們聚沙成塔、奮起直追，堅定奔跑在人與自然和諧共生的道路上，“以我之筆”共同繪就一幅新時代的“千里江山圖”，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院長聘教軌副教授種麗娜正是其中一員。

堅定投身科研道路

回歸母校前，種麗娜在美國阿貢國家實驗室擔(dān)任化學(xué)科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究員。雖然她對5年的研究經(jīng)歷只用輕描淡寫的幾句話作為總結(jié)概括，但還是不難捕捉到其中光點——兩獲美國科技創(chuàng)新獎、兩次榮登《科學(xué)》（Science）期刊，又打破了美國物理學(xué)會瑪麗亞·格佩特-梅耶獎史上沒有中國女性科學(xué)家摘取桂冠的20年空白……當(dāng)這些事情相繼發(fā)生在種麗娜身上時，連她自己都不敢相信是真的?！懊芬劰井?dāng)天，有兩個人分別跟我說了結(jié)果，我始終認為他們在跟我開玩笑，直到親眼看到正式通知我才信了。”她說。

▲2019年種麗娜在舊金山領(lǐng)獎

然而，就是這樣一名以昂揚姿態(tài)奮斗出厚重人生底色的科研工作者，卻說自己一開始的目標(biāo)根本不是從事科研?！皯?yīng)家里人的建議，最開始我是想要成為一名教師的?！钡谏虾＝煌ù髮W(xué)攻讀博士學(xué)位期間，導(dǎo)師的一句指點卻讓種麗娜醍醐灌頂?！八麑ξ艺f：‘我們學(xué)校有那么多出國的機會，你既然拿到了國家獎學(xué)金，為什么不走出國門去看一看？’”聽罷勸告種麗娜很快便決定“到更大的世界去闖一闖、看一看”。高中時期便在物理、化學(xué)學(xué)科上頻頻拿到近乎滿分成績的她，自然還是要在這個領(lǐng)域內(nèi)扎下根去。于是，在國內(nèi)完成碩博學(xué)業(yè)之后，她向世界范圍內(nèi)頂尖的實驗室投出了一封封申請信，憑借滿腔的熱忱和真誠，最終收獲了來自美國阿貢國家實驗室、加拿大魁北克大學(xué)和加拿大滑鐵盧大學(xué)等的博士后錄用通知。

“雖然最初走上科研道路算是陰差陽錯，但現(xiàn)在這是我真真正正喜歡，也確確實實想要一直做下去的工作。”正因為熱愛，即便在美國求學(xué)、工作期間，應(yīng)平臺所需要對自己從事的研究方向做出細微的改變，種麗娜也絲毫沒有猶豫，立刻就從物理化學(xué)領(lǐng)域掉轉(zhuǎn)航向，在能源材料研發(fā)的軌跡上重新?lián)P帆。這也就成為她與氫能結(jié)緣的起點。

氫本是自然界的能源之母，氫能又被稱作“21世紀(jì)的終極能源”，在“它是否可替代化石燃料”這一問題上，學(xué)界近年來爭論不休，熱度居高不下。而在對氫能進行有效利用的探討中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和質(zhì)子交換膜電解池（PEMWE）的研發(fā)又是其中聚焦熱點。據(jù)悉，無論是種麗娜如今的研究方向，還是在美國兩次獲獎的經(jīng)歷，都與這些新時代產(chǎn)物密切相關(guān)。

2018年，種麗娜針對質(zhì)子交換膜燃料電池陰極氧化還原反應(yīng)（ORR）催化劑，以及質(zhì)子交換膜電解池陽極析氧反應(yīng)（OER）催化劑展開的一系列研究畫上了階段性的圓滿句點。主要科技成就和貢獻在于她不僅研發(fā)出了新型超低鉑（Pt）含量的質(zhì)子交換膜燃料電池氧化還原催化劑，有效減少了鉑的用量，提高了鉑活性，高達商用Pt/C催化劑活性的10倍；還提前完成了美國能源部（DOE）針對燃料電池ORR催化劑活性和壽命制定的“2025目標(biāo)”，提出了有效的協(xié)同催化機理。這是種麗娜的學(xué)術(shù)論文第一次出現(xiàn)在《科學(xué)》上，不過她并沒有驕傲自滿，反而深存新硎初試的謹(jǐn)慎，這讓生性靦腆的她更加看重、嚴(yán)肅對待與業(yè)內(nèi)前輩的每一次交流機會?！安贿^美國阿貢國家實驗室的資深科學(xué)家性格都非常溫和，也很熱情，很喜歡跟我就科學(xué)問題展開討論?！彼f。

在“山不讓塵，川不辭盈”的積累之下，種麗娜很快錨定了下一個需要攻克的目標(biāo)，即新型質(zhì)子交換膜電解池非貴金屬OER催化劑。此前，貴金屬一向被視作氧化還原反應(yīng)的必需品，即便其價值節(jié)節(jié)攀升、產(chǎn)量少如春雨，也未能消解市場上供不應(yīng)求的局面。根本緣由在于，學(xué)界一直存在著對非貴金屬催化劑的疑慮——非貴金屬在酸性環(huán)境下極容易被溶解，如何使其穩(wěn)定運行于電池內(nèi)部？通過研究，種麗娜給出了答案：采用MOF和高聚物為前驅(qū)體，結(jié)合犧牲模板法制備高比表面、中空結(jié)構(gòu)的多孔納米管催化劑，或可改變通電條件下非貴金屬催化劑的表面結(jié)構(gòu)。

而研究結(jié)果顯示確實如此：三維連續(xù)、多孔開放式的結(jié)構(gòu)在反應(yīng)過程中改善了催化劑的質(zhì)量傳遞能力和電子傳導(dǎo)能力；摻雜功能元素，可對活性位元素進行電子層結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在晶體中形成晶格缺陷，從而提高催化活性；對催化劑表面進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，則可在晶體表面形成保護層，抑制活性位點的金屬流失，提高了催化劑使用壽命。也就是說，通過加工的非貴金屬OER催化劑不僅有望在模擬環(huán)境中具備高活性和穩(wěn)定性，且基本實現(xiàn)了MEA在實際的質(zhì)子交換膜電解池中的長期運行，這一結(jié)論為新型質(zhì)子交換膜電解池用非貴金屬OER催化劑的研發(fā)指引了全新方向。相關(guān)成果論文刊登在《科學(xué)》雜志上。只不過這一次，當(dāng)科研成果再次走上領(lǐng)獎臺時，種麗娜已經(jīng)身在國內(nèi)，加入上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院了。

解好氫能“多元方程”

談及“為什么要回國”，種麗娜的答案懇切而真誠：“因為家人的擔(dān)心與時時召喚，也因為丁文江院士的個人魅力與戰(zhàn)略眼光，更因為對母校上海交通大學(xué)的眷戀和感激?！痹诜N麗娜的記憶中，在上海交通大學(xué)度過的時光，尤其是與導(dǎo)師鄒建新教授和曾小勤教授的相遇，帶給了她非常多的溫暖甚至是科研信心?！耙郧拔铱偸呛芮佑趨⑴c學(xué)術(shù)會議或是出外交流等，這時我的導(dǎo)師總會站在我身后，堅定地告訴我‘你不用怕’，雖然這種安慰聽上去很平凡普通，但是真的給了我很大的力量?；蛟S我最終能走出國門，也要得益于那時樹立起的自信?！?/p>

既曾得到過導(dǎo)師的關(guān)懷與饋贈，又曾經(jīng)懷揣一個育人的理想，那么留在母校、回報母?？雌饋砭拖袷欠N麗娜人生中的“必選項”。而同時，既是合作者也是今后工作“引路人”的丁文江院士對于科研工作的謀篇布局更令她獲益匪淺，“丁院士十年前預(yù)測、規(guī)劃的內(nèi)容幾乎沒有一句虛言，今天的氫能研究領(lǐng)域就是按照他所說所做的在發(fā)展”。

當(dāng)下，發(fā)展氫能科技和產(chǎn)業(yè)已被正式納入國家“十四五”規(guī)劃中，這預(yù)示著我國能源生產(chǎn)和利用方式或?qū)l(fā)生一場重大變革。接下來，我國政府已明確將大力發(fā)展新能源動力汽車技術(shù)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新能源體系。就此方向，種麗娜在丁文江院士的大團隊之中，借助上海交通大學(xué)材料學(xué)院及輕合金精密成型國家工程研究中心在氫能方面長期研究所積累的設(shè)備、技術(shù)和經(jīng)驗，結(jié)合氫科學(xué)中心在氫能研究的平臺優(yōu)勢，以及自身在電化學(xué)催化材料的設(shè)計與應(yīng)用上的多年科研經(jīng)驗，將繼續(xù)在高性能催化劑方向上開展具體研究，讓質(zhì)子交換膜燃料電池和質(zhì)子交換膜電解池更好地服務(wù)于未來的能源市場。

▲種麗娜和導(dǎo)師在實驗室工作

“氫燃料電池新能源動力汽車雖已商業(yè)化，但每輛車的鉑金用量高達20～30g，是汽柴油動力汽車鉑金用量的4～6倍。若要使其具備和汽柴油動力汽車相等的市場競爭力，質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽極Pt的總負載量要小于0.1mgPtcm-2，使每輛燃料電池動力汽車鉑用量不超過5g，道路測試壽命達5000～8000小時?！狈N麗娜用具體數(shù)據(jù)詳細解釋了其針對ORR催化劑研究的必要性和針對性。為達成這一目標(biāo)，她不斷實驗、反復(fù)論證，卻也時刻保持清醒：以貴金屬作為催化劑絕不是長久之計，不僅因其高昂的市場價格，還因其受地域限制，“像我們國家，貴金屬的年產(chǎn)量其實是非常低的”。因此，她也勇挑重擔(dān)——積極研發(fā)新材料，以豐富電池陰極氧化還原反應(yīng)協(xié)同催化體系。

目前，雖然非貴金屬ORR催化劑的活性已得到了極大程度的提高，但攻克其弱穩(wěn)定性仍屬世界難題，失活機制尚不明確。種麗娜研發(fā)的一系列Co/N/C和Fe/N/C非貴金屬ORR催化劑卻在質(zhì)子交換膜燃料電池的相關(guān)活性測試中脫穎而出，有望為可再生能源制氫和燃料電池新能源動力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)革新提供理論科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。在她的科研布局之中，探究反應(yīng)位點與失活因素是下一步的切題要義。她表示，將繼續(xù)在此前研究基礎(chǔ)上，從實驗和理論兩個方面對上述材料在實際電池中的ORR催化機展開系統(tǒng)、深入的研究，建立有效的反應(yīng)/失活機制，為未來拓寬前驅(qū)體材料的研究范圍，探索其他多孔材料及有機高聚物材料做前驅(qū)體埋下伏筆。

另一方面，針對質(zhì)子交換膜電解池，種麗娜將目光投向了陽極?！百|(zhì)子交換膜電解池技術(shù)的另一個研究方向就是降低銥（Ir）的載量并提高其催化活性?！倍F金屬催化劑的活性取決于貴金屬納米顆粒的比表面積，由此推導(dǎo)，提高Ir催化活性的有效方法就是減小Ir納米顆粒的粒徑，并將其均勻分散到高比表面的載體表面。根據(jù)自身在材料設(shè)計、表面化學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗和專業(yè)知識，種麗娜提出了具有良好導(dǎo)電性、高比表面的非碳材料作為載體引入Ir體系中的想法，并計劃設(shè)計制備新型低Ir催化劑。前期數(shù)據(jù)顯示，此催化劑在Ir用量為0.1mgIrcm-2情況下，保持著與商業(yè)催化劑相近的活性，證明了方法的可行性。下一步，種麗娜表示還將進一步優(yōu)化這一材料所制備的MEA的催化性能，以研發(fā)新材料，力爭為發(fā)展質(zhì)子交換膜電解池技術(shù)提供堅實的理論基礎(chǔ)。

或許行業(yè)之外的人難以想象，科研者要經(jīng)歷怎樣的曲折才能找到一條旁人眼中的“金光大道”，經(jīng)驗、學(xué)識、團隊、思考，缺一不可。而要解好氫能這道“多元方程”，更需要付出艱苦努力，在傳統(tǒng)能源道路上先破后立，久久為功?！捌鋵嵨业膶嶒炇业浇裉爝€沒有完全構(gòu)建完成，之前在新冠疫情肆虐的影響下，實驗設(shè)備的生產(chǎn)和運輸受到了很大的阻力，我只能帶著學(xué)生們做一些鋪墊性工作，再心急也無計可施?！比缃瘢?dāng)核心設(shè)備初步到位，團隊人員初步完備之際，種麗娜的工作量與日俱增，磨合團隊、派發(fā)任務(wù)、緊盯搭建進度……更別提科研之外，她還要為即將開設(shè)的研究生和本科生課程夙興夜寐、殫精竭慮。在她心中，立德樹人從來都是一份影響深遠的偉大事業(yè)，因此她表示未來在講授材料、氫能源和電化學(xué)相關(guān)課程，以及指導(dǎo)研究生進行相關(guān)課題的學(xué)習(xí)與研究時，都將恪守“在入口處‘有教無類’、在過程中‘因材施教’、在出口處‘人盡其才’”的教育宗旨，將“仁而愛人”的主題一以貫之。

“期望在5年內(nèi)，我們的團隊就可產(chǎn)出媲美世界一流水平的新能源研究成果，將氫能這個冉冉升起的‘能源新秀’全副武裝，切實服務(wù)于民生。而我本人也會盡自己所能，為國家培養(yǎng)一批在新能源儲存、轉(zhuǎn)化與利用方面理論基礎(chǔ)扎實的創(chuàng)新型專業(yè)人才?！狈N麗娜用虔誠的語調(diào)向自己也向未來，許下一個美好的承諾。