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在阿貢國家實驗室材料科學與工程部工作！憑兩項Science成果兩獲“科技奧斯卡獎”！這個山東姑娘選擇回國加入上海交大！

2023-06-30 13:40:05 作者：材料學網(wǎng) 來源：材料學網(wǎng) 分享至：

2019年12月，在美國加利福尼亞州圣馬特奧縣，一場盛大的頒獎典禮正式開始。

在那眾多的《財富》500強企業(yè)代表、世界知名高校和國家實驗室的與會者中，有一個年輕而略顯稚嫩的身影。她穿著一身規(guī)矩的黑色套裝，簡單地扎起了馬尾，看起來有些與眾不同。剛剛還與她一起用餐的一位女士換上了禮服，對她置之不理。

回憶起這一幕的時候，她不好意思地笑了笑說：“后來我才知道，人家誤以為我不尊重這個大獎。”

這位年輕女生叫種麗娜，當時正在美國阿貢國家實驗室的材料科學與工程部工作。她提出了一項關于氫燃料電池的新技術，引起了美國能源部（DOE）的關注，并設立了專門的研究小組進行開發(fā)。相關論文后來發(fā)表在頂級學術期刊《科學》上。

憑借這項成果，年輕的種麗娜獲得了美國科學技術創(chuàng)新獎（R＆D 100大獎）。這是一項享有全球聲譽的科技創(chuàng)新獎項，被譽為科技創(chuàng)新界的“奧斯卡獎”。

種麗娜2019年領獎現(xiàn)場（受訪者供圖，下同）

有趣的是，這樣的榮譽居然又出現(xiàn)了。

2022年，種麗娜再次站在了R＆D 100大獎的領獎臺上。一年后，她的成果再次發(fā)表在《科學》雜志上。

雖然場景似曾相識，但這位杰出的年輕女科學家已經(jīng)回到了母校上海交通大學，成為一名長聘教軌副教授。再次登上領獎臺的她，已經(jīng)變得自信從容，不再帶著青澀。

解決具有挑戰(zhàn)性的科學問題

種麗娜取得了兩項重大成果，一個是“制氫”，一個是“用氫”，雖然它們有關聯(lián)，但又相對獨立。

第一項研究簡言之，就是為氫燃料電池中的關鍵催化劑尋找“平價替代品”。目前，商業(yè)上廣泛使用的鉑基貴金屬催化劑在氫燃料電池中應用最為廣泛，但鉑的儲量稀少、價格昂貴，并且容易導致小分子中毒。然而，種麗娜成功開發(fā)出了一種新型超低鉑協(xié)同催化劑，能夠在電池中長時間運行并產生理想電流，將鉑的用量降低到商業(yè)標準的1/10！

在此之前，美國政府已經(jīng)投入了數(shù)十年的研究，試圖降低氫燃料電池中鉑的使用量。因此，美國能源部高度關注種麗娜的工作，并鼓勵她申請R＆D 100大獎。

這個科技創(chuàng)新大獎是面向全球科學家的，每年從上千個項目中評選出具有重大創(chuàng)新商業(yè)價值的100項技術。由于競爭激烈，種麗娜最初根本沒有抱什么希望，直到收到頒獎典禮的邀請，她才發(fā)現(xiàn)自己獲得了該獎項，甚至來不及為領獎做準備。

最近公開發(fā)表的第二項成果同樣涉及“平價替代品”。她開發(fā)的納米纖維鈷尖晶石催化劑克服了傳統(tǒng)質子交換膜水解槽對銥、釕等貴金屬催化劑的過度依賴，實現(xiàn)了非貴金屬陽極催化劑的高效穩(wěn)定運行。這一成果有望大幅降低制氫成本，推動氫能源的大規(guī)模商業(yè)應用。

2022年，種麗娜憑借一項尚未公開發(fā)表的成果再次榮獲R&D 100大獎。

除了兩次獲得“科技創(chuàng)新奧斯卡獎”外，種麗娜還被授予Maria Goeppert Mayer Fellow（瑪麗亞·戈珀特－梅耶高級學者）的榮譽稱號。

瑪麗亞·戈珀特－梅耶是一位女性諾貝爾獎獲得者，這個以她命名的榮譽旨在鼓勵全球優(yōu)秀的年輕學者，競爭異常激烈。

那年，全美高校和科研機構僅有兩人獲此殊榮，而其中之一正是種麗娜。評委對她的評價寫道：“Lina（種麗娜）最令人印象深刻的特點是她專注于解決具有挑戰(zhàn)性科學問題的態(tài)度，她是我所見過最勤奮、最執(zhí)著的研究者之一。”

有人告訴種麗娜，在近20年的時間里，她是唯一一個獲得該榮譽的中國女性。

種麗娜

得遇恩師，踏上科研之路

但若只看這些成就，很難想象這位女科學家曾經(jīng)歷過一段“不自信”的時期。

種麗娜生于山東省棗莊市，本科和碩士階段都就讀于當?shù)氐钠胀ǜ咝！?/span>

2012年，她毅然決定報考上海交通大學攻讀博士學位。然而，一封所謂的“推薦信”幾乎讓她與夢想失之交臂。

當時，她未來的導師曾小勤對此頗為猶豫。雖然這位報考他實驗室的女學生在筆試中表現(xiàn)出色，超出第二名幾十分，但推薦信中有一句“愛玩，不愛學習”的評語令人摸不透頭緒。

曾小勤既擔心招收一個不愛學習的學生，又擔心誤解這句評語而錯過一個優(yōu)秀的學生。經(jīng)過深思熟慮后，他決定給種麗娜所在學院打電話進行“背調”。他向學院領導和其他人了解情況后發(fā)現(xiàn)，大家對這位學生的評價不錯，才放心將她招收為自己的研究生。

直到后來種麗娜才得知這段驚險的往事，她不禁感嘆：“這是我人生的轉折點，如果沒有曾小勤老師的知遇之恩，我或許真的會氣餒、放棄。”

由于過去的履歷不夠亮眼，讀博期間，種麗娜在行動和言談中都不太自信。另一位導師鄒建新教授注意到了這一點，找她談話并列舉了許多在科學史上取得卓越成就的成功者來鼓勵她：“你看，有很多非名校出身但最終取得杰出成就的人。你要相信自己，要有信心。”

導師們的鼓勵給了種麗娜巨大的動力。她在博士二年級時已經(jīng)研發(fā)出一些新材料，發(fā)表了幾篇論文，并獲得了國家獎學金。上海交通大學提供了許多國際交流機會，鄒建新鼓勵她爭取出國訪問的機會。

種麗娜之前從未出過國門，她最初想著即便只是去玩一次也好，于是聯(lián)系了美國著名的阿貢國家實驗室。在那里，她又遇到了一位重要的導師，信任她并培養(yǎng)她的劉迪嘉教授。與最初“只是去玩一趟”的設想不同，她獲得上海交通大學博士學位后繼續(xù)在阿貢國家實驗室做博士后研究，并成為Maria Goeppert Mayer Fellow高級學者。

種麗娜和導師劉迪嘉在實驗室做實驗

沒過多久，這位勤奮的中國姑娘成為實驗室里備受喜愛的“寵兒”。許多大科學家都喜歡她，無論是否熟悉，有事無事，總有人到她的辦公室或實驗室找她聊天。他們給了種麗娜許多前所未聞的知識，開闊了她的眼界。

剛到實驗室時，種麗娜還擔心自己的語言障礙，不敢和別人交流。但前輩們鼓勵她說：“在外國人中，你的英語已經(jīng)講得很好了。”

在這樣的環(huán)境中，種麗娜迅速成長，并成為一名能夠承擔重任、成熟的科技工作者。

把技術、想法和夢想帶回祖國

2021年，種麗娜決定回國發(fā)展。當時，中國工程院院士、上海交通大學氫科學中心主任丁文江向她介紹了國內氫能源材料領域的快速發(fā)展，并表示這將為年輕科學家提供良好的研究平臺。

這個消息讓種麗娜激動不已。在她在美國能源部和阿貢國家實驗室工作的幾年里，她幾乎整天都待在實驗室里，很少與外界接觸。但是如果回到自己的祖國，她就可以擺脫這種無形的距離感，重新融入人們的日常生活。

“雖然我之前的專利留在了美國，但是我有技術，有想法。” 種麗娜告訴《中國科學報》，“那兩種材料都是我發(fā)明的，無論存在的問題還是潛力，我都心里有數(shù)。如果能夠將它們應用在中國的場景中，并親眼看到它們發(fā)揮作用，我會更加開心！”

她渴望在國內開發(fā)一套產品，提供給國內企業(yè)，并將其應用于新能源汽車上，以獲得真實場景中的數(shù)據(jù)。

盡管新技術在許多方面仍然不夠完善，實現(xiàn)真正商業(yè)化依然任重道遠，但是當談到這些時，種麗娜充滿自信地說：“這是從‘0’到‘1’的進步，我們已經(jīng)邁出了這一步。”

近日，上海交通大學材料科學與工程學院種麗娜副教授時隔五年，以第一作者再次登頂國際頂級期刊Science，在質子交換膜水解槽陽極催化劑領域取得重要突破。

相關研究成果以“La- and Mn-doped cobalt spinel oxygen evolution catalyst for proton exchange membrane electrolysis”為題發(fā)表在Science上

并已于2022年再度摘得美國科技發(fā)明獎（PGM-free OER Catalyst as Replacement of Iridium for PEM Water Electrolyzer, R&D 100 AWARD, 2022）。

Science在線發(fā)表種麗娜副教授的研究成果

該工作報道了一種由沸石甲基咪唑酯骨架（Co-ZIF）衍生并通過靜電紡絲處理的鑭和錳共摻雜的納米纖維鈷尖晶石催化劑。該催化劑憑借高比表面積、多孔互聯(lián)的納米網(wǎng)絡結構和高導電性的諸多優(yōu)點表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧反應（OER）活性，克服了質子交換膜水解槽（PEMWE）陽極催化劑對Ir/Ru基貴金屬催化劑的嚴重依賴，實現(xiàn)了非貴金屬陽極催化劑在PEMWE中的高效穩(wěn)定運行，為開發(fā)面向PEMWE的低成本OER催化劑提供了前瞻性方向。

圍繞著未來能源的清潔可持續(xù)發(fā)展，低溫水電解槽技術是氫能制備方式中最綠色的手段，且能與可再生間歇性電源（如風能和太陽能）進行有機結合實現(xiàn)能源的儲備。在當前的技術水平下，水電解槽主要以堿性電解槽和質子交換膜電解槽為主。雖然與商業(yè)化成熟的堿性電解槽相比，質子交換膜水電解槽具備更高的電流密度、更高的H2純度、更低的電阻損耗和更緊湊的結構設計等諸多優(yōu)點，但受制于成本劣勢，其工業(yè)化規(guī)模的擴大化受到嚴重阻礙。尤其在質子交換膜水解槽陽極的強酸和高電位環(huán)境下，OER催化劑的活性和穩(wěn)定性面臨著重重挑戰(zhàn)，這也導致目前商用催化劑的選擇范圍十分有限，并僅局限于貴金屬Ir基催化劑（如IrOx）。

基于此，本工作首先合成出La和Mn共摻雜的Co-ZIF，隨后懸浮分散在聚丙烯腈漿料中通過靜電紡絲成纖維，并在360℃流動空氣中活化得到最終的催化劑（LMCF）（圖1A）。形貌表征揭示了LMCF呈現(xiàn)出相互連接的納米纖維網(wǎng)絡形貌，而在相互纏繞的納米纖維之間則具有豐富的大孔；另外，單個LMCF顆粒保留了Co-ZIF的原始菱形十二面體形狀，并呈串狀排列融合，每個顆粒由Co3O4納米晶粒聚集而成，平均尺寸約為3.5 nm（圖1B到圖1E）。進一步，元素面掃描顯示La主要在表面呈局域分布，而Mn主要分布在塊體中（圖1F到圖1I）。