在阿贡国家实验室材料科学与工程部工作！凭两项Science成果两获“科技奥斯卡奖”！这个山东姑娘选择回国加入上海交大！

2023-06-30 13:40:05 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

2019年12月，在美国加利福尼亚州圣马特奥县，一场盛大的颁奖典礼正式开始。

在那众多的《财富》500强企业代表、世界知名高校和国家实验室的与会者中，有一个年轻而略显稚嫩的身影。她穿着一身规矩的黑色套装，简单地扎起了马尾，看起来有些与众不同。刚刚还与她一起用餐的一位女士换上了礼服，对她置之不理。

回忆起这一幕的时候，她不好意思地笑了笑说：“后来我才知道，人家误以为我不尊重这个大奖。”

这位年轻女生叫种丽娜，当时正在美国阿贡国家实验室的材料科学与工程部工作。她提出了一项关于氢燃料电池的新技术，引起了美国能源部（DOE）的关注，并设立了专门的研究小组进行开发。相关论文后来发表在顶级学术期刊《科学》上。

凭借这项成果，年轻的种丽娜获得了美国科学技术创新奖（R＆D 100大奖）。这是一项享有全球声誉的科技创新奖项，被誉为科技创新界的“奥斯卡奖”。

种丽娜2019年领奖现场（受访者供图，下同）

有趣的是，这样的荣誉居然又出现了。

2022年，种丽娜再次站在了R＆D 100大奖的领奖台上。一年后，她的成果再次发表在《科学》杂志上。

虽然场景似曾相识，但这位杰出的年轻女科学家已经回到了母校上海交通大学，成为一名长聘教轨副教授。再次登上领奖台的她，已经变得自信从容，不再带着青涩。

解决具有挑战性的科学问题

种丽娜取得了两项重大成果，一个是“制氢”，一个是“用氢”，虽然它们有关联，但又相对独立。

第一项研究简言之，就是为氢燃料电池中的关键催化剂寻找“平价替代品”。目前，商业上广泛使用的铂基贵金属催化剂在氢燃料电池中应用最为广泛，但铂的储量稀少、价格昂贵，并且容易导致小分子中毒。然而，种丽娜成功开发出了一种新型超低铂协同催化剂，能够在电池中长时间运行并产生理想电流，将铂的用量降低到商业标准的1/10！

在此之前，美国政府已经投入了数十年的研究，试图降低氢燃料电池中铂的使用量。因此，美国能源部高度关注种丽娜的工作，并鼓励她申请R＆D 100大奖。

这个科技创新大奖是面向全球科学家的，每年从上千个项目中评选出具有重大创新商业价值的100项技术。由于竞争激烈，种丽娜最初根本没有抱什么希望，直到收到颁奖典礼的邀请，她才发现自己获得了该奖项，甚至来不及为领奖做准备。

最近公开发表的第二项成果同样涉及“平价替代品”。她开发的纳米纤维钴尖晶石催化剂克服了传统质子交换膜水解槽对铱、钌等贵金属催化剂的过度依赖，实现了非贵金属阳极催化剂的高效稳定运行。这一成果有望大幅降低制氢成本，推动氢能源的大规模商业应用。

2022年，种丽娜凭借一项尚未公开发表的成果再次荣获R&D 100大奖。

除了两次获得“科技创新奥斯卡奖”外，种丽娜还被授予Maria Goeppert Mayer Fellow（玛丽亚·戈珀特－梅耶高级学者）的荣誉称号。

玛丽亚·戈珀特－梅耶是一位女性诺贝尔奖获得者，这个以她命名的荣誉旨在鼓励全球优秀的年轻学者，竞争异常激烈。

那年，全美高校和科研机构仅有两人获此殊荣，而其中之一正是种丽娜。评委对她的评价写道：“Lina（种丽娜）最令人印象深刻的特点是她专注于解决具有挑战性科学问题的态度，她是我所见过最勤奋、最执著的研究者之一。”

有人告诉种丽娜，在近20年的时间里，她是唯一一个获得该荣誉的中国女性。

种丽娜

得遇恩师，踏上科研之路

但若只看这些成就，很难想象这位女科学家曾经历过一段“不自信”的时期。

种丽娜生于山东省枣庄市，本科和硕士阶段都就读于当地的普通高校。

2012年，她毅然决定报考上海交通大学攻读博士学位。然而，一封所谓的“推荐信”几乎让她与梦想失之交臂。

当时，她未来的导师曾小勤对此颇为犹豫。虽然这位报考他实验室的女学生在笔试中表现出色，超出第二名几十分，但推荐信中有一句“爱玩，不爱学习”的评语令人摸不透头绪。

曾小勤既担心招收一个不爱学习的学生，又担心误解这句评语而错过一个优秀的学生。经过深思熟虑后，他决定给种丽娜所在学院打电话进行“背调”。他向学院领导和其他人了解情况后发现，大家对这位学生的评价不错，才放心将她招收为自己的研究生。

直到后来种丽娜才得知这段惊险的往事，她不禁感叹：“这是我人生的转折点，如果没有曾小勤老师的知遇之恩，我或许真的会气馁、放弃。”

由于过去的履历不够亮眼，读博期间，种丽娜在行动和言谈中都不太自信。另一位导师邹建新教授注意到了这一点，找她谈话并列举了许多在科学史上取得卓越成就的成功者来鼓励她：“你看，有很多非名校出身但最终取得杰出成就的人。你要相信自己，要有信心。”

导师们的鼓励给了种丽娜巨大的动力。她在博士二年级时已经研发出一些新材料，发表了几篇论文，并获得了国家奖学金。上海交通大学提供了许多国际交流机会，邹建新鼓励她争取出国访问的机会。

种丽娜之前从未出过国门，她最初想着即便只是去玩一次也好，于是联系了美国著名的阿贡国家实验室。在那里，她又遇到了一位重要的导师，信任她并培养她的刘迪嘉教授。与最初“只是去玩一趟”的设想不同，她获得上海交通大学博士学位后继续在阿贡国家实验室做博士后研究，并成为Maria Goeppert Mayer Fellow高级学者。

种丽娜和导师刘迪嘉在实验室做实验

没过多久，这位勤奋的中国姑娘成为实验室里备受喜爱的“宠儿”。许多大科学家都喜欢她，无论是否熟悉，有事无事，总有人到她的办公室或实验室找她聊天。他们给了种丽娜许多前所未闻的知识，开阔了她的眼界。

刚到实验室时，种丽娜还担心自己的语言障碍，不敢和别人交流。但前辈们鼓励她说：“在外国人中，你的英语已经讲得很好了。”

在这样的环境中，种丽娜迅速成长，并成为一名能够承担重任、成熟的科技工作者。

把技术、想法和梦想带回祖国

2021年，种丽娜决定回国发展。当时，中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江向她介绍了国内氢能源材料领域的快速发展，并表示这将为年轻科学家提供良好的研究平台。

这个消息让种丽娜激动不已。在她在美国能源部和阿贡国家实验室工作的几年里，她几乎整天都待在实验室里，很少与外界接触。但是如果回到自己的祖国，她就可以摆脱这种无形的距离感，重新融入人们的日常生活。

“虽然我之前的专利留在了美国，但是我有技术，有想法。” 种丽娜告诉《中国科学报》，“那两种材料都是我发明的，无论存在的问题还是潜力，我都心里有数。如果能够将它们应用在中国的场景中，并亲眼看到它们发挥作用，我会更加开心！”

她渴望在国内开发一套产品，提供给国内企业，并将其应用于新能源汽车上，以获得真实场景中的数据。

尽管新技术在许多方面仍然不够完善，实现真正商业化依然任重道远，但是当谈到这些时，种丽娜充满自信地说：“这是从‘0’到‘1’的进步，我们已经迈出了这一步。”

近日，上海交通大学材料科学与工程学院种丽娜副教授时隔五年，以第一作者再次登顶国际顶级期刊Science，在质子交换膜水解槽阳极催化剂领域取得重要突破。

相关研究成果以“La- and Mn-doped cobalt spinel oxygen evolution catalyst for proton exchange membrane electrolysis”为题发表在Science上

并已于2022年再度摘得美国科技发明奖（PGM-free OER Catalyst as Replacement of Iridium for PEM Water Electrolyzer, R&D 100 AWARD, 2022）。

Science在线发表种丽娜副教授的研究成果

该工作报道了一种由沸石甲基咪唑酯骨架（Co-ZIF）衍生并通过静电纺丝处理的镧和锰共掺杂的纳米纤维钴尖晶石催化剂。该催化剂凭借高比表面积、多孔互联的纳米网络结构和高导电性的诸多优点表现出优异的析氧反应（OER）活性，克服了质子交换膜水解槽（PEMWE）阳极催化剂对Ir/Ru基贵金属催化剂的严重依赖，实现了非贵金属阳极催化剂在PEMWE中的高效稳定运行，为开发面向PEMWE的低成本OER催化剂提供了前瞻性方向。

围绕着未来能源的清洁可持续发展，低温水电解槽技术是氢能制备方式中最绿色的手段，且能与可再生间歇性电源（如风能和太阳能）进行有机结合实现能源的储备。在当前的技术水平下，水电解槽主要以碱性电解槽和质子交换膜电解槽为主。虽然与商业化成熟的碱性电解槽相比，质子交换膜水电解槽具备更高的电流密度、更高的H2纯度、更低的电阻损耗和更紧凑的结构设计等诸多优点，但受制于成本劣势，其工业化规模的扩大化受到严重阻碍。尤其在质子交换膜水解槽阳极的强酸和高电位环境下，OER催化剂的活性和稳定性面临着重重挑战，这也导致目前商用催化剂的选择范围十分有限，并仅局限于贵金属Ir基催化剂（如IrOx）。

基于此，本工作首先合成出La和Mn共掺杂的Co-ZIF，随后悬浮分散在聚丙烯腈浆料中通过静电纺丝成纤维，并在360℃流动空气中活化得到最终的催化剂（LMCF）（图1A）。形貌表征揭示了LMCF呈现出相互连接的纳米纤维网络形貌，而在相互缠绕的纳米纤维之间则具有丰富的大孔；另外，单个LMCF颗粒保留了Co-ZIF的原始菱形十二面体形状，并呈串状排列融合，每个颗粒由Co3O4纳米晶粒聚集而成，平均尺寸约为3.5 nm（图1B到图1E）。进一步，元素面扫描显示La主要在表面呈局域分布，而Mn主要分布在块体中（图1F到图1I）。