曾經(jīng)，在人類(lèi)走向工業(yè)化、現(xiàn)代化的進(jìn)程中，不少國(guó)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(cái)富的同時(shí)加劇了對(duì)自然資源的攫取。但所幸隨著人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的覺(jué)醒，今天世界各國(guó)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(chē)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(shì)為人類(lèi)帶來(lái)了高效拉動(dòng)綠色發(fā)展進(jìn)度條的美好希望，卻又以易燃、易爆、易擴(kuò)散的特點(diǎn)考驗(yàn)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(guó)無(wú)論是在工業(yè)化建設(shè)還是氫能制備與儲(chǔ)存方面都較西方發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，但這并不會(huì)成為阻撓行業(yè)進(jìn)階的桎梏。眼下，政府一再?gòu)?qiáng)調(diào)的“兩山”理念和“雙碳”戰(zhàn)略不僅為無(wú)數(shù)從業(yè)者指明了前進(jìn)的方向，也吸引著遠(yuǎn)赴各國(guó)深造積累經(jīng)驗(yàn)的人才回流祖國(guó)，他們聚沙成塔、奮起直追，堅(jiān)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(shí)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(zhǎng)聘教軌副教授種麗娜正是其中一員。

堅(jiān)定投身科研道路

回歸母校前，種麗娜在美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任化學(xué)科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究員。雖然她對(duì)5年的研究經(jīng)歷只用輕描淡寫(xiě)的幾句話作為總結(jié)概括，但還是不難捕捉到其中光點(diǎn)——兩獲美國(guó)科技創(chuàng)新獎(jiǎng)、兩次榮登《科學(xué)》（Science）期刊，又打破了美國(guó)物理學(xué)會(huì)瑪麗亞·格佩特-梅耶獎(jiǎng)史上沒(méi)有中國(guó)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(shí)，連她自己都不敢相信是真的。“梅耶獎(jiǎng)公示當(dāng)天，有兩個(gè)人分別跟我說(shuō)了結(jié)果，我始終認(rèn)為他們?cè)诟议_(kāi)玩笑，直到親眼看到正式通知我才信了。”她說(shuō)。

▲2019年種麗娜在舊金山領(lǐng)獎(jiǎng)

然而，就是這樣一名以昂揚(yáng)姿態(tài)奮斗出厚重人生底色的科研工作者，卻說(shuō)自己一開(kāi)始的目標(biāo)根本不是從事科研。“應(yīng)家里人的建議，最開(kāi)始我是想要成為一名教師的。”但在上海交通大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，導(dǎo)師的一句指點(diǎn)卻讓種麗娜醍醐灌頂。“他對(duì)我說(shuō)：‘我們學(xué)校有那么多出國(guó)的機(jī)會(huì)，你既然拿到了國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，為什么不走出國(guó)門(mén)去看一看？’”聽(tīng)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(shí)期便在物理、化學(xué)學(xué)科上頻頻拿到近乎滿分成績(jī)的她，自然還是要在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)扎下根去。于是，在國(guó)內(nèi)完成碩博學(xué)業(yè)之后，她向世界范圍內(nèi)頂尖的實(shí)驗(yàn)室投出了一封封申請(qǐng)信，憑借滿腔的熱忱和真誠(chéng)，最終收獲了來(lái)自美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(yáng)錯(cuò)，但現(xiàn)在這是我真真正正喜歡，也確確實(shí)實(shí)想要一直做下去的工作。”正因?yàn)闊釔?ài)，即便在美國(guó)求學(xué)、工作期間，應(yīng)平臺(tái)所需要對(duì)自己從事的研究方向做出細(xì)微的改變，種麗娜也絲毫沒(méi)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(diǎn)。

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(wèn)題上，學(xué)界近年來(lái)爭(zhēng)論不休，熱度居高不下。而在對(duì)氫能進(jìn)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(diǎn)。據(jù)悉，無(wú)論是種麗娜如今的研究方向，還是在美國(guó)兩次獲獎(jiǎng)的經(jīng)歷，都與這些新時(shí)代產(chǎn)物密切相關(guān)。

2018年，種麗娜針對(duì)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(yáng)極析氧反應(yīng)（OER）催化劑展開(kāi)的一系列研究畫(huà)上了階段性的圓滿句點(diǎn)。主要科技成就和貢獻(xiàn)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(dá)商用Pt/C催化劑活性的10倍；還提前完成了美國(guó)能源部（DOE）針對(duì)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(jī)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(guò)她并沒(méi)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(duì)待與業(yè)內(nèi)前輩的每一次交流機(jī)會(huì)。“不過(guò)美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(wèn)題展開(kāi)討論。”她說(shuō)。

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(gè)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(jià)值節(jié)節(jié)攀升、產(chǎn)量少如春雨，也未能消解市場(chǎng)上供不應(yīng)求的局面。根本緣由在于，學(xué)界一直存在著對(duì)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(yùn)行于電池內(nèi)部？通過(guò)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(shí)如此：三維連續(xù)、多孔開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)在反應(yīng)過(guò)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(duì)活性位元素進(jìn)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(duì)催化劑表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，則可在晶體表面形成保護(hù)層，抑制活性位點(diǎn)的金屬流失，提高了催化劑使用壽命。也就是說(shuō)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)了MEA在實(shí)際的質(zhì)子交換膜電解池中的長(zhǎng)期運(yùn)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(guò)這一次，當(dāng)科研成果再次走上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)時(shí)，種麗娜已經(jīng)身在國(guó)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(guó)”，種麗娜的答案懇切而真誠(chéng)：“因?yàn)榧胰说膿?dān)心與時(shí)時(shí)召喚，也因?yàn)槎∥慕菏康膫€(gè)人魅力與戰(zhàn)略眼光，更因?yàn)閷?duì)母校上海交通大學(xué)的眷戀和感激。”在種麗娜的記憶中，在上海交通大學(xué)度過(guò)的時(shí)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。“以前我總是很怯于參與學(xué)術(shù)會(huì)議或是出外交流等，這時(shí)我的導(dǎo)師總會(huì)站在我身后，堅(jiān)定地告訴我‘你不用怕’，雖然這種安慰聽(tīng)上去很平凡普通，但是真的給了我很大的力量。或許我最終能走出國(guó)門(mén)，也要得益于那時(shí)樹(shù)立起的自信。”

既曾得到過(guò)導(dǎo)師的關(guān)懷與饋贈(zèng)，又曾經(jīng)懷揣一個(gè)育人的理想，那么留在母校、回報(bào)母校看起來(lái)就像是種麗娜人生中的“必選項(xiàng)”。而同時(shí)，既是合作者也是今后工作“引路人”的丁文江院士對(duì)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(cè)、規(guī)劃的內(nèi)容幾乎沒(méi)有一句虛言，今天的氫能研究領(lǐng)域就是按照他所說(shuō)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(guó)家“十四五”規(guī)劃中，這預(yù)示著我國(guó)能源生產(chǎn)和利用方式或?qū)l(fā)生一場(chǎng)重大變革。接下來(lái)，我國(guó)政府已明確將大力發(fā)展新能源動(dòng)力汽車(chē)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(tuán)隊(duì)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(guó)家工程研究中心在氫能方面長(zhǎng)期研究所積累的設(shè)備、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合氫科學(xué)中心在氫能研究的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，以及自身在電化學(xué)催化材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用上的多年科研經(jīng)驗(yàn)，將繼續(xù)在高性能催化劑方向上開(kāi)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(lái)的能源市場(chǎng)。

▲種麗娜和導(dǎo)師在實(shí)驗(yàn)室工作

“氫燃料電池新能源動(dòng)力汽車(chē)雖已商業(yè)化，但每輛車(chē)的鉑金用量高達(dá)20～30g，是汽柴油動(dòng)力汽車(chē)鉑金用量的4～6倍。若要使其具備和汽柴油動(dòng)力汽車(chē)相等的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，質(zhì)子交換膜燃料電池陰極和陽(yáng)極Pt的總負(fù)載量要小于0.1mgPtcm-2，使每輛燃料電池動(dòng)力汽車(chē)鉑用量不超過(guò)5g，道路測(cè)試壽命達(dá)5000～8000小時(shí)。”種麗娜用具體數(shù)據(jù)詳細(xì)解釋了其針對(duì)ORR催化劑研究的必要性和針對(duì)性。為達(dá)成這一目標(biāo)，她不斷實(shí)驗(yàn)、反復(fù)論證，卻也時(shí)刻保持清醒：以貴金屬作為催化劑絕不是長(zhǎng)久之計(jì)，不僅因其高昂的市場(chǎng)價(jià)格，還因其受地域限制，“像我們國(guó)家，貴金屬的年產(chǎn)量其實(shí)是非常低的”。因此，她也勇挑重?fù)?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(jī)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(cè)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(dòng)力汽車(chē)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面對(duì)上述材料在實(shí)際電池中的ORR催化機(jī)展開(kāi)系統(tǒng)、深入的研究，建立有效的反應(yīng)/失活機(jī)制，為未來(lái)拓寬前驅(qū)體材料的研究范圍，探索其他多孔材料及有機(jī)高聚物材料做前驅(qū)體埋下伏筆。

另一方面，針對(duì)質(zhì)子交換膜電解池，種麗娜將目光投向了陽(yáng)極。“質(zhì)子交換膜電解池技術(shù)的另一個(gè)研究方向就是降低銥（Ir）的載量并提高其催化活性。”而貴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(jì)、表面化學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，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(jì)劃設(shè)計(jì)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(jìn)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(zhēng)為發(fā)展質(zhì)子交換膜電解池技術(shù)提供堅(jiān)實(shí)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(yàn)、學(xué)識(shí)、團(tuán)隊(duì)、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。“其實(shí)我的實(shí)驗(yàn)室到今天還沒(méi)有完全構(gòu)建完成，之前在新冠疫情肆虐的影響下，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的生產(chǎn)和運(yùn)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(wú)計(jì)可施。”如今，當(dāng)核心設(shè)備初步到位，團(tuán)隊(duì)人員初步完備之際，種麗娜的工作量與日俱增，磨合團(tuán)隊(duì)、派發(fā)任務(wù)、緊盯搭建進(jìn)度……更別提科研之外，她還要為即將開(kāi)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(shù)人從來(lái)都是一份影響深遠(yuǎn)的偉大事業(yè)，因此她表示未來(lái)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(jìn)行相關(guān)課題的學(xué)習(xí)與研究時(shí)，都將恪守“在入口處‘有教無(wú)類(lèi)’、在過(guò)程中‘因材施教’、在出口處‘人盡其才’”的教育宗旨，將“仁而愛(ài)人”的主題一以貫之。

“期望在5年內(nèi)，我們的團(tuán)隊(duì)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(gè)冉冉升起的‘能源新秀’全副武裝，切實(shí)服務(wù)于民生。而我本人也會(huì)盡自己所能，為國(guó)家培養(yǎng)一批在新能源儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化與利用方面理論基礎(chǔ)扎實(shí)的創(chuàng)新型專(zhuān)業(yè)人才。”種麗娜用虔誠(chéng)的語(yǔ)調(diào)向自己也向未來(lái)，許下一個(gè)美好的承諾。