研究前沿化學(xué)與材料科學(xué)

1、2017 研究前沿中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心科睿唯安七、化學(xué)與材料科學(xué)1. 熱點(diǎn)前沿及重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿解讀1.1 化學(xué)與材料科學(xué) Top 10 熱點(diǎn)前沿發(fā)展態(tài)勢(shì)化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿主要分布在太陽(yáng)能電池、有機(jī)合成、納米技術(shù)、超級(jí)電容器、自由基聚合、上轉(zhuǎn)換發(fā)光等領(lǐng)域。與2013-2016 年相比，2017年 Top10熱點(diǎn)前沿既有延續(xù)又有發(fā)展。在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，關(guān)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和聚合物太陽(yáng)能電池的研究連年入選熱點(diǎn)前沿或新興前沿。在今年的Top10熱點(diǎn)前沿中，聚合物太陽(yáng)能電池延續(xù)了去年對(duì)非富勒烯受體（小分子和聚合物）的關(guān)注，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池則側(cè)重空穴傳輸材料研

2、究。在有機(jī)合成領(lǐng)域，碳?xì)滏I的活化反應(yīng)也是連年入選，往年側(cè)重在釕、銠等貴金屬的催化轉(zhuǎn)化，今年是非貴金屬鈷的催化轉(zhuǎn)化，另外今年還突出了間位碳?xì)滏I的活化。在納米技術(shù)領(lǐng)域，不僅繼續(xù)有具體的前沿研究入選，而且首次出現(xiàn)宏觀的研究概念納米組裝學(xué)。在超級(jí)電容器領(lǐng)域，基于納米孔碳電極（2014年）、納米二氧化錳電極材料（2016年）的超級(jí)電容器曾經(jīng)入選熱點(diǎn)前沿或新興前沿，今年入選的是基于NiCo2S4電極材料的超級(jí)電容器。在自由基聚合領(lǐng)域，繼2014年入選新興前沿后，光引發(fā)的聚合反應(yīng)今年成為熱點(diǎn)前沿。在上轉(zhuǎn)換發(fā)光領(lǐng)域，“三重態(tài)-三重態(tài)湮滅上轉(zhuǎn)換”入選熱點(diǎn)前沿。1.2 重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿三價(jià)鈷催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)傳統(tǒng)的

3、合成化學(xué)基于活性官能團(tuán)的相互轉(zhuǎn)化，通常需要繁瑣的預(yù)官能團(tuán)化步驟。而碳?xì)滏I的直接化學(xué)轉(zhuǎn)化可以避免這一過(guò)程，大大提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性和步驟經(jīng)濟(jì)性，因而受到廣泛關(guān)注并取得蓬勃發(fā)展。近十年來(lái)，過(guò)渡金屬催化的碳?xì)滏I直接官能團(tuán)化反應(yīng)已成為重要的合成工具，特別是貴金屬（銠、釕、銥、鉑、金、銀等）催化成果顯著。然而，高昂的成本以及對(duì)環(huán)境可能造成的不利影響限制了貴金屬催化的大規(guī)模應(yīng)用。因此，越來(lái)越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向儲(chǔ)量豐富、成本低廉的第一行過(guò)渡金屬（錳、鐵、鈷、鎳、銅等）。這點(diǎn)在研究前沿系列報(bào)告中也得以體現(xiàn)：在2013年和2014年的報(bào)告中，“釕、銠催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)”進(jìn)入化學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿，本年

4、度則是“鈷催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)”入選。鈷催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)可分為低價(jià)鈷（Co）催化和高價(jià)鈷（Co）催化兩類(lèi)。本研究前沿是高價(jià)鈷催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)。2013年，日本東京大學(xué)金井求（Motomu Kanai）教授和川島茂裕（Shigehiro Kawashima）博士報(bào)道了Cp*Co（Cp*= 五甲基環(huán)戊二烯）絡(luò)合物催化的2-苯基吡啶碳?xì)滏I活化直接加成到亞胺、烯酮上的反應(yīng)。此后，研究人員不斷擴(kuò)大Cp*Co催化劑的應(yīng)用范圍并研究其催化機(jī)理。與其替代對(duì)象Cp*Rh相比，Cp*Co不僅可用于前者催化的反應(yīng)，而且由于反應(yīng)活性差異，導(dǎo)致可能采取不同的反應(yīng)路線從而生成不同的產(chǎn)物。如表31所示，在本研究前沿

5、中，德國(guó)、日本、美國(guó)、韓國(guó)以及中國(guó)等國(guó)家或地區(qū)發(fā)表了多篇核心論文。日本東京大學(xué)、德國(guó)哥廷根大學(xué)、明斯特大學(xué)、美國(guó)耶魯大學(xué)、韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院等研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)。浙江大學(xué)、北京大學(xué)、中科院大連化物所等研究機(jī)構(gòu)的工作也比較突出。在施引論文方面（表32），中國(guó)的論文數(shù)量最多，表現(xiàn)出對(duì)該熱點(diǎn)前沿的積極跟進(jìn)。印度表現(xiàn)搶眼，在施引論文數(shù)量方面與德國(guó)并駕齊驅(qū)。此外，美國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)家或地區(qū)也繼續(xù)保持研究熱度。在施引論文Top10機(jī)構(gòu)中，中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)、德國(guó)哥廷根大學(xué)、明斯特大學(xué)、韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院、科學(xué)技術(shù)研究院、日本東京大學(xué)等表 2 中的機(jī)構(gòu)繼續(xù)榜上有名，中國(guó)科學(xué)院發(fā)表的施引論文最

6、多。此外，中國(guó)南京大學(xué)、蘭州大學(xué)、韓國(guó)成均館大學(xué)、印度理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)也發(fā)表了多篇施引論文。1.3 重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿納米組裝學(xué)“納米組裝學(xué)”（nanoarchitectonics）這個(gè)概念最早由時(shí)任日本理化學(xué)研究所首席科學(xué)家的Masakazu Aono教授（現(xiàn)在日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所工作）于2000年在第一屆納米組裝學(xué)國(guó)際研討會(huì)上提出。Masakazu Aono教授認(rèn)為，納米技術(shù)不是微米技術(shù)在尺度上的簡(jiǎn)單延伸，兩者存在重大不同但又容易混淆，因此有必要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)新的名詞來(lái)反映研究范式上的變化。作為材料科學(xué)和技術(shù)在納米尺度的研究范式，納米組裝學(xué)是指將納米尺度結(jié)構(gòu)單元（原子、分子、功能組件）組裝成所需納

7、米結(jié)構(gòu)的技術(shù)體系，通過(guò)控制協(xié)調(diào)納米結(jié)構(gòu)內(nèi)各種相互作用，使產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)具有新的功能。從2003年第一次出現(xiàn)在論文題目中到現(xiàn)在，納米組裝學(xué)已經(jīng)擴(kuò)散到多個(gè)領(lǐng)域并得到了廣泛認(rèn)可。從納米結(jié)構(gòu)組裝、超分子自組裝、雜化材料，到仿生酶、傳感器、藥物緩釋等，納米組裝學(xué)在器件制造、能源和環(huán)境科學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2016年，Advanced Materials雜志組織了一期納米組裝學(xué)專(zhuān)刊，邀請(qǐng)日本、中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭等國(guó)研究人員綜述納米組裝學(xué)的研究和應(yīng)用進(jìn)展。核心論文的Top產(chǎn)出國(guó)家和地區(qū)中，日本貢獻(xiàn)了16篇核心論文，占該前沿所有核心論文的64%。中國(guó)、捷克、德國(guó)等國(guó)家或地區(qū)的研究人員對(duì)該前

8、沿也做出了積極貢獻(xiàn)（表33）。在發(fā)展納米組裝學(xué)的過(guò)程中，日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所有賀克彥（Katsuhiko Ariga）教授做出了突出貢獻(xiàn)，日本的 16篇核心論文全部來(lái)自其課題組及合作者，涉及層層自組裝技術(shù)、Langmuir-Blodgett膜技術(shù)等自組裝技術(shù)、納米結(jié)構(gòu)組裝、界面化學(xué)等多個(gè)方面。在施引論文方面，如表 34 所示，來(lái)自中國(guó)、日本、印度、韓國(guó)、美國(guó)等國(guó)家或地區(qū)的研究人員發(fā)表了大量施引論文，其中中國(guó)的施引論文數(shù)量最多，其次是日本。在施引論文 Top10 機(jī)構(gòu)中，日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所論文數(shù)量最多，中國(guó)科學(xué)院排在第 2 位。此外，日本早稻田大學(xué)、中國(guó)吉林大學(xué)、中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也發(fā)

9、表了多篇施引論文。2.新興前沿及重點(diǎn)新興前沿解讀2.1新興前沿概述 在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域共有16項(xiàng)研究入選新興前沿，主要涉及鈣欽礦太陽(yáng)能電池及發(fā)光材料、金屬催化的化學(xué)反應(yīng)、納米材料及器件的制備、光化學(xué)等研究。本年度該領(lǐng)域新興前沿的研究主題有兩大亮點(diǎn)：鈣欽礦型材料研究及金屬催化的化學(xué)反應(yīng)研究。前者主要涉及發(fā)光材料、無(wú)機(jī)吸光層太陽(yáng)能電池及環(huán)保型太陽(yáng)能電池吸光材料研究等3個(gè)研究方向，且該研究主題從2014年開(kāi)始就一直是化學(xué)和材料領(lǐng)域的新興前沿，只是研究方向發(fā)生了變化。另一亮點(diǎn)為金屬催化的化學(xué)反應(yīng)研究，約三分之一的新興前沿與此相關(guān)，針對(duì)非貴金屬的催化反應(yīng)就有兩個(gè)方向入選。關(guān)于框架化合物及柱芳烴的研究繼

10、2016年之后再次成為今年的新興前沿。納米材料方面有二維納米片、稀土納米溫度計(jì)及無(wú)機(jī)鉛鹵鈣欽礦納米晶發(fā)光材料等三個(gè)方向入選。2.2 重點(diǎn)新興前沿基于非貴金屬的雙功能電解水催化劑利用電化學(xué)催化方法分解水產(chǎn)氫是可再生能源存儲(chǔ)的一種有效方法，同時(shí)也被認(rèn)為是可以解決當(dāng)前能源危機(jī)最安全有效的技術(shù)。電解水包括陽(yáng)極析氧和陰極析氫兩個(gè)半反應(yīng)，參與析氫反應(yīng)的催化劑（一般是過(guò)渡金屬）在酸性環(huán)境下效率最高，參與析氧反應(yīng)的催化劑（一般是貴金屬）卻需要在堿性環(huán)境中才能表現(xiàn)出優(yōu)越的催化性能。要在一種電解液中將水完全分解同時(shí)獲得氫氣和氧氣需要將兩種催化劑結(jié)合，而這樣就會(huì)使催化劑的催化性能大打折扣。因此，非常有必要開(kāi)發(fā)能在一

11、種環(huán)境中對(duì)析氫和析氧反應(yīng)都具有很高活性的非貴金屬催化劑，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，提高催化性能。所以，基于非貴金屬的雙功能電解水催化劑成為現(xiàn)階段電水解領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，同時(shí)也成為電解水制氫領(lǐng)域獲得巨大突破的希望所在。電解水制氫是一個(gè)古老的話題，近些年對(duì)非貴金屬電解水催化劑的研究也一直保持較高研究熱度：非貴金屬電解水催化劑入選2015年化學(xué)與材料科學(xué)的新興前沿，2016 年具有納米結(jié)構(gòu)的非貴金屬電解水入選當(dāng)年的熱點(diǎn)前沿。本年度的新興前沿中關(guān)于非貴金屬電解水的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了既能析出氫氣又能同時(shí)析出氧氣的雙功能非貴金屬電解水催化劑上。目前針對(duì)這類(lèi)催化劑的研究主要集中在對(duì)過(guò)渡金屬（主要是族）鈷、鎳的磷化物或者兩者合金的氧化物及硫化物等物質(zhì)上，而且由于堿性電解液可以獲得高的離子電導(dǎo)率和低的過(guò)電勢(shì)，所以關(guān)于該領(lǐng)域的研