研究前沿化學與材料科學

1、2017 研究前沿中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院中國科學院文獻情報中心科睿唯安七、化學與材料科學1. 熱點前沿及重點熱點前沿解讀1.1 化學與材料科學 Top 10 熱點前沿發(fā)展態(tài)勢化學與材料科學領(lǐng)域Top10熱點前沿主要分布在太陽能電池、有機合成、納米技術(shù)、超級電容器、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熱點前沿既有延續(xù)又有發(fā)展。在太陽能電池領(lǐng)域，關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池和聚合物太陽能電池的研究連年入選熱點前沿或新興前沿。在今年的Top10熱點前沿中，聚合物太陽能電池延續(xù)了去年對非富勒烯受體（小分子和聚合物）的關(guān)注，鈣鈦礦太陽能電池則側(cè)重空穴傳輸材料研

2、究。在有機合成領(lǐng)域，碳氫鍵的活化反應(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氫鍵的活化。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。在超級電容器領(lǐng)域，基于納米孔碳電極（2014年）、納米二氧化錳電極材料（2016年）的超級電容器曾經(jīng)入選熱點前沿或新興前沿，今年入選的是基于NiCo2S4電極材料的超級電容器。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”入選熱點前沿。1.2 重點熱點前沿三價鈷催化的碳氫鍵活化反應(yīng)傳統(tǒng)的

3、合成化學基于活性官能團的相互轉(zhuǎn)化，通常需要繁瑣的預(yù)官能團化步驟。而碳氫鍵的直接化學轉(zhuǎn)化可以避免這一過程，大大提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟性和步驟經(jīng)濟性，因而受到廣泛關(guān)注并取得蓬勃發(fā)展。近十年來，過渡金屬催化的碳氫鍵直接官能團化反應(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，越來越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向儲量豐富、成本低廉的第一行過渡金屬（錳、鐵、鈷、鎳、銅等）。這點在研究前沿系列報告中也得以體現(xiàn)：在2013年和2014年的報告中，“釕、銠催化的碳氫鍵活化反應(yīng)”進入化學領(lǐng)域Top10熱點前沿，本年

4、度則是“鈷催化的碳氫鍵活化反應(yīng)”入選。鈷催化的碳氫鍵活化反應(yīng)可分為低價鈷（Co）催化和高價鈷（Co）催化兩類。本研究前沿是高價鈷催化的碳氫鍵活化反應(yīng)。2013年，日本東京大學金井求（Motomu Kanai）教授和川島茂裕（Shigehiro Kawashima）博士報道了Cp*Co（Cp*= 五甲基環(huán)戊二烯）絡(luò)合物催化的2-苯基吡啶碳氫鍵活化直接加成到亞胺、烯酮上的反應(yīng)。此后，研究人員不斷擴大Cp*Co催化劑的應(yīng)用范圍并研究其催化機理。與其替代對象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、日本、美國、韓國以及中國等國家或地區(qū)發(fā)表了多篇核心論文。日本東京大學、德國哥廷根大學、明斯特大學、美國耶魯大學、韓國基礎(chǔ)科學研究院等研究機構(gòu)在該領(lǐng)域做出了突出貢獻。浙江大學、北京大學、中科院大連化物所等研究機構(gòu)的工作也比較突出。在施引論文方面（表32），中國的論文數(shù)量最多，表現(xiàn)出對該熱點前沿的積極跟進。印度表現(xiàn)搶眼，在施引論文數(shù)量方面與德國并駕齊驅(qū)。此外，美國、韓國、日本等國家或地區(qū)也繼續(xù)保持研究熱度。在施引論文Top10機構(gòu)中，中國科學院、浙江大學、德國哥廷根大學、明斯特大學、韓國基礎(chǔ)科學研究院、科學技術(shù)研究院、日本東京大學等表 2 中的機構(gòu)繼續(xù)榜上有名，中國科學院發(fā)表的施引論文最

6、多。此外，中國南京大學、蘭州大學、韓國成均館大學、印度理工學院等研究機構(gòu)也發(fā)表了多篇施引論文。1.3 重點熱點前沿納米組裝學“納米組裝學”（nanoarchitectonics）這個概念最早由時任日本理化學研究所首席科學家的Masakazu Aono教授（現(xiàn)在日本國立物質(zhì)材料研究所工作）于2000年在第一屆納米組裝學國際研討會上提出。Masakazu Aono教授認為，納米技術(shù)不是微米技術(shù)在尺度上的簡單延伸，兩者存在重大不同但又容易混淆，因此有必要創(chuàng)造一個新的名詞來反映研究范式上的變化。作為材料科學和技術(shù)在納米尺度的研究范式，納米組裝學是指將納米尺度結(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，納米組裝學已經(jīng)擴散到多個領(lǐng)域并得到了廣泛認可。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，納米組裝學在器件制造、能源和環(huán)境科學、生物和醫(yī)學等領(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?？?，邀請日本、中國、美國、德國、法國、荷蘭等國研究人員綜述納米組裝學的研究和應(yīng)用進展。核心論文的Top產(chǎn)出國家和地區(qū)中，日本貢獻了16篇核心論文，占該前沿所有核心論文的64%。中國、捷克、德國等國家或地區(qū)的研究人員對該前

8、沿也做出了積極貢獻（表33）。在發(fā)展納米組裝學的過程中，日本國立物質(zhì)材料研究所有賀克彥（Katsuhiko Ariga）教授做出了突出貢獻，日本的 16篇核心論文全部來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、界面化學等多個方面。在施引論文方面，如表 34 所示，來自中國、日本、印度、韓國、美國等國家或地區(qū)的研究人員發(fā)表了大量施引論文，其中中國的施引論文數(shù)量最多，其次是日本。在施引論文 Top10 機構(gòu)中，日本國立物質(zhì)材料研究所論文數(shù)量最多，中國科學院排在第 2 位。此外，日本早稻田大學、中國吉林大學、中國臺灣大學等研究機構(gòu)也發(fā)

9、表了多篇施引論文。2.新興前沿及重點新興前沿解讀2.1新興前沿概述 在化學與材料科學領(lǐng)域共有16項研究入選新興前沿，主要涉及鈣欽礦太陽能電池及發(fā)光材料、金屬催化的化學反應(yīng)、納米材料及器件的制備、光化學等研究。本年度該領(lǐng)域新興前沿的研究主題有兩大亮點：鈣欽礦型材料研究及金屬催化的化學反應(yīng)研究。前者主要涉及發(fā)光材料、無機吸光層太陽能電池及環(huán)保型太陽能電池吸光材料研究等3個研究方向，且該研究主題從2014年開始就一直是化學和材料領(lǐng)域的新興前沿，只是研究方向發(fā)生了變化。另一亮點為金屬催化的化學反應(yīng)研究，約三分之一的新興前沿與此相關(guān)，針對非貴金屬的催化反應(yīng)就有兩個方向入選。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、稀土納米溫度計及無機鉛鹵鈣欽礦納米晶發(fā)光材料等三個方向入選。2.2 重點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催化方法分解水產(chǎn)氫是可再生能源存儲的一種有效方法，同時也被認為是可以解決當前能源危機最安全有效的技術(shù)。電解水包括陽極析氧和陰極析氫兩個半反應(yīng)，參與析氫反應(yīng)的催化劑（一般是過渡金屬）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獲得氫氣和氧氣需要將兩種催化劑結(jié)合，而這樣就會使催化劑的催化性能大打折扣。因此，非常有必要開發(fā)能在一

11、種環(huán)境中對析氫和析氧反應(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，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)域的重點研究方向，同時也成為電解水制氫領(lǐng)域獲得巨大突破的希望所在。電解水制氫是一個古老的話題，近些年對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年化學與材料科學的新興前沿，2016 年具有納米結(jié)構(gòu)的非貴金屬電解水入選當年的熱點前沿。本年度的新興前沿中關(guān)于非貴金屬電解水的關(guān)注點轉(zhuǎn)移到了既能析出氫氣又能同時析出氧氣的雙功能非貴金屬電解水催化劑上。目前針對這類催化劑的研究主要集中在對過渡金屬（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率和低的過電勢，所以關(guān)于該領(lǐng)域的研