能源新秀 “氢”装上阵——记上海交通大学材料科学与工程学院长聘教轨副教授种丽娜.pdf

2023年8月 科学中国人 59能源新秀“氢”装上阵记上海交通大学材料科学与工程学院长聘教轨副教授种丽娜郑 心李文博曾经，在人类走向工业化、现代化的进程中，不少国家选择了一条“先发展再治理”的道路，在创造出巨大物质财富的同时加剧了对自然资源的攫取。但所幸随着人类环保意识的觉醒，今天世界各国已经纷纷将“绿色”“可持续”奉为高质量发展的要义，由此，新能源发展逐步走上“快车道”。而在一众清洁能源之中，氢能以其绿色、高效、可持续的多重优势为人类带来了高效拉动绿色发展进度条的美好希望，却又以易燃、易爆、易扩散的特点考验着每位能源、材料、化学等相关领域学者的耐心与“功底”。虽然，中国无论是在工业化建设还是氢能制备与储存方面都较西方发达国家起步晚，但这并不会成为阻挠行业进阶的桎梏。眼下，政府一再强调的“两山”理念和“双碳”战略不仅为无数从业者指明了前进的方向，也吸引着远赴各国深造积累经验的人才回流祖国，他们聚沙成塔、奋起直追，坚定奔跑在人与自然和谐共生的道路上，“以我之笔”共同绘就一幅新时代的“千里江山图”，上海交通大学材料科学与工程学院长聘教轨副教授种丽娜正是其中一员。坚定投身科研道路回归母校前，种丽娜在美国阿贡国家实验室担任化学科学与工程领域的研究员。虽然她对5年的研究经历只用轻描淡写的几句话作为总结概括，但还是不难捕捉到其中光点两获美国科技创新奖、两次荣登科学（Science）期刊，又打破了美国物理学会玛丽亚格佩特-梅耶奖史上没有中国女性科学家摘取桂冠的20年空白当这些事情相继发生在种丽娜身上时，连她自己都不敢相信是真的。“梅耶奖公示当天，有两个人分别跟我说了结果，我始终认为他们在跟我开玩笑，直到亲眼看到正式通知我才信了。”她说。然而，就是这样一名以昂扬姿态奋斗出厚重人生底色的科研工作者，却说自己一开始的目标根本不是从事科研。“应家里人的建议，最开始我是想要成为一名教师的。”但在上海交通大学攻读博士学位期间，导师的一句指点却让种丽娜醍醐灌顶。“他对我说：我们学校有那么多出国的机会，你既然拿到了国家奖学金，为什么不走出国门去看一看？”听罢劝告种丽娜很快便决定“到更大的世界去闯一闯、看一看”。高中时期便在物理、化学学科上频频拿到近乎满分成绩的她，自然还是要在这个领域内扎下根去。于是，在国内完成硕博学业之后，她向世界范围内顶尖的实验室投出了一封封申请信，凭借满腔的热忱和真诚，最终收获了来自美国阿贡国家实验室、加拿大魁北克大学和加2019年种丽娜在旧金山领奖创新之路60 科学中国人 2023年8月拿大滑铁卢大学等的博士后录用通知。“虽然最初走上科研道路算是阴差阳错，但现在这是我真真正正喜欢，也确确实实想要一直做下去的工作。”正因为热爱，即便在美国求学、工作期间，应平台所需要对自己从事的研究方向做出细微的改变，种丽娜也丝毫没有犹豫，立刻就从物理化学领域掉转航向，在能源材料研发的轨迹上重新扬帆。这也就成为她与氢能结缘的起点。氢本是自然界的能源之母，氢能又被称作“21世纪的终极能源”，在“它是否可替代化石燃料”这一问题上，学界近年来争论不休，热度居高不下。而在对氢能进行有效利用的探讨中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和质子交换膜电解池（PEMWE）的研发又是其中聚焦热点。据悉，无论是种丽娜如今的研究方向，还是在美国两次获奖的经历，都与这些新时代产物密切相关。2018年，种丽娜针对质子交换膜燃料电池阴极氧化还原反应（ORR）催化剂，以及质子交换膜电解池阳极析氧反应（OER）催化剂展开的一系列研究画上了阶段性的圆满句点。主要科技成就和贡献在于她不仅研发出了新型超低铂（Pt）含量的质子交换膜燃料电池氧化还原催化剂，有效减少了铂的用量，提高了铂活性，高达商用Pt/C催化剂活性的10倍；还提前完成了美国能源部（DOE）针对燃料电池ORR催化剂活性和寿命制定的“2025目标”，提出了有效的协同催化机理。这是种丽娜的学术论文第一次出现在科学上，不过她并没有骄傲自满，反而深存新硎初试的谨慎，这让生性腼腆的她更加看重、严肃对待与业内前辈的每一次交流机会。“不过美国阿贡国家实验室的资深科学家性格都非常温和，也很热情，很喜欢跟我就科学问题展开讨论。”她说。在“山不让尘，川不辞盈”的积累之下，种丽娜很快锚定了下一个需要攻克的目标，即新型质子交换膜电解池非贵金属OER催化剂。此前，贵金属一向被视作氧化还原反应的必需品，即便其价值节节攀升、产量少如春雨，也未能消解市场上供不应求的局面。根本缘由在于，学界一直存在着对非贵金属催化剂的疑虑非贵金属在酸性环境下极容易被溶解，如何使其稳定运行于电池内部？通过研究，种丽娜给出了答案：采用MOF和高聚物为前驱体，结合牺牲模板法制备高比表面、中空结构的多孔纳米管催化剂，或可改变通电条件下非贵金属催化剂的表面结构。而研究结果显示确实如此：三维连续、多孔开放式的结构在反应过程中改善了催化剂的质量传递能力和电子传导能力；掺杂功能元素，可对活性位元素进行电子层结构优化，并在晶体中形成晶格缺陷，从而提高催化活性；对催化剂表面进行结构优化，则可在晶体表面形成保护层，抑制活性位点的金属流失，提高了催化剂使用寿命。也就是说，通过加工的非贵金属OER催化剂不仅有望在模拟环境中具备高活性和稳定性，且基本实现了MEA在实际的质子交换膜电解池中的长期运行，这一结论为新型质子交换膜电解池用非贵金属OER催化剂的研发指引了全新方向。相关成果论文刊登在科学杂志上。只不过这一次，当科研成果再次走上领奖台时，种丽娜已经身在国内，加入上海交通大学材料科学与工程学院了。解好氢能“多元方程”谈及“为什么要回国”，种丽娜的答案恳切而真诚：“因为家人的担心与时时召唤，也因为丁文江院士的个人魅力与战略眼光，更因为对母校上海交通大学的眷恋和感激。”在种丽娜的记忆中，在上海交通大学度过的时光，尤其是与导师邹建新教授和曾小勤教授的相遇，带给了她非常多的温暖甚至是科研信心。“以前我总是很怯于参与学术会议或是出外交流等，这时我的导师总会站在我身后，坚定地告诉我你不用怕，虽然这种安慰听上种丽娜和导师在实验室工作2023年8月 科学中国人 61去很平凡普通，但是真的给了我很大的力量。或许我最终能走出国门，也要得益于那时树立起的自信。”既曾得到过导师的关怀与馈赠，又曾经怀揣一个育人的理想，那么留在母校、回报母校看起来就像是种丽娜人生中的“必选项”。而同时，既是合作者也是今后工作“引路人”的丁文江院士对于科研工作的谋篇布局更令她获益匪浅，“丁院士十年前预测、规划的内容几乎没有一句虚言，今天的氢能研究领域就是按照他所说所做的在发展”。当下，发展氢能科技和产业已被正式纳入国家“十四五”规划中，这预示着我国能源生产和利用方式或将发生一场重大变革。接下来，我国政府已明确将大力发展新能源动力汽车技术，构建清洁低碳、安全高效的新能源体系。就此方向，种丽娜在丁文江院士的大团队之中，借助上海交通大学材料学院及轻合金精密成型国家工程研究中心在氢能方面长期研究所积累的设备、技术和经验，结合氢科学中心在氢能研究的平台优势，以及自身在电化学催化材料的设计与应用上的多年科研经验，将继续在高性能催化剂方向上开展具体研究，让质子交换膜燃料电池和质子交换膜电解池更好地服务于未来的能源市场。“氢燃料电池新能源动力汽车虽已商业化，但每辆车的铂金用量高达2030g，是汽柴油动力汽车铂金用量的46倍。若要使其具备和汽柴油动力汽车相等的市场竞争力，质子交换膜燃料电池阴极和阳极Pt的总负载量要小于0.1mgPtcm-2，使每辆燃料电池动力汽车铂用量不超过5g，道路测试寿命达50008000小时。”种丽娜用具体数据详细解释了其针对ORR催化剂研究的必要性和针对性。为达成这一目标，她不断实验、反复论证，却也时刻保持清醒：以贵金属作为催化剂绝不是长久之计，不仅因其高昂的市场价格，还因其受地域限制，“像我们国家，贵金属的年产量其实是非常低的”。因此，她也勇挑重担积极研发新材料，以丰富电池阴极氧化还原反应协同催化体系。目前，虽然非贵金属ORR催化剂的活性已得到了极大程度的提高，但攻克其弱稳定性仍属世界难题，失活机制尚不明确。种丽娜研发的一系列Co/N/C和Fe/N/C非贵金属ORR催化剂却在质子交换膜燃料电池的相关活性测试中脱颖而出，有望为可再生能源制氢和燃料电池新能源动力汽车产业的发展与技术革新提供理论科学依据和技术支持。在她的科研布局之中，探究反应位点与失活因素是下一步的切题要义。她表示，将继续在此前研究基础上，从实验和理论两个方面对上述材料在实际电池中的ORR催化机展开系统、深入的研究，建立有效的反应/失活机制，为未来拓宽前驱体材料的研究范围，探索其他多孔材料及有机高聚物材料做前驱体埋下伏笔。另一方面，针对质子交换膜电解池，种丽娜将目光投向了阳极。“质子交换膜电解池技术的另一个研究方向就是降低铱（Ir）的载量并提高其催化活性。”而贵金属催化剂的活性取决于贵金属纳米颗粒的比表面积，由此推导，提高Ir催化活性的有效方法就是减小Ir纳米颗粒的粒径，并将其均匀分散到高比表面的载体表面。根据自身在材料设计、表面化学和电化学领域的研究经验和专业知识，种丽娜提出了具有良好导电性、高比表面的非碳材料作为载体引入Ir体系中的想法，并计划设计制备新型低Ir催化剂。前期数据显示，此催化剂在Ir用量为0.1mgIrcm-2情况下，保持着与商业催化剂相近的活性，证明了方法的可行性。下一步，种丽娜表示还将进一步优化这一材料所制备的MEA的催化性能，以研发新材料，力争为发展质子交换膜电解池技术提供坚实的理论基础。或许行业之外的人难以想象，科研者要经历怎样的曲折才能找到一条旁人眼中的“金光大道”，经验、学识、团队、思考，缺一不可。而要解好氢能这道“多元方程”，更需要付出艰苦努力，在传统能源道路上先破后立，久久为功。“其实我的实验室到今天还没有完全构建完成，之前在新冠疫情肆虐的影响下，实验设备的生产和运输受到了很大的阻力，我只能带着学生们做一些铺垫性工作，再心急也无计可施。”如今，当核心设备初步到位，团队人员初步完备之际，种丽娜的工作量与日俱增，磨合团队、派发任务、紧盯搭建进度更别提科研之外，她还要为即将开设的研究生和本科生课程夙兴夜寐、殚精竭虑。在她心中，立德树人从来都是一份影响深远的伟大事业，因此她表示未来在讲授材料、氢能源和电化学相关课程，以及指导研究生进行相关课题的学习与研究时，都将恪守“在入口处有教无类、在过程中因材施教、在出口处人尽其才”的教育宗旨，将“仁而爱人”的主题一以贯之。“期望在5年内，我们的团队就可产出媲美世界一流水平的新能源研究成果，将氢能这个冉冉升起的能源新秀全副武装，切实服务于民生。而我本人也会尽自己所能，为国家培养一批在新能源储存、转化与利用方面理论基础扎实的创新型专业人才。”种丽娜用虔诚的语调向自己也向未来，许下一个美好的承诺。科