2017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(diǎn)前沿或新興前沿。在今年的Top10熱點(diǎn)前沿中，聚合物太陽能電池延續(xù)了去 年對(duì)非富勒烯受體（小分子和聚合物）的關(guān)注，鈣鈦礦太陽能電池則側(cè)重空穴傳輸材料研究

2、。 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)重在釘、銠等貴金屬的催化轉(zhuǎn)化， 今年是非貴金屬鉆的催化轉(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)宏觀的研究概念一一納米組裝學(xué)。在超級(jí)電容 器領(lǐng)域，基于納米孔碳電極（2014年）、納米二氧化鎰電極材料（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NiC02s4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。表30化竽身材料科學(xué)Top 10熱點(diǎn)

3、前沿序號(hào)熱點(diǎn)前沿核心 論文被引 班次技心論文 平均出版年1三希鉆催化的破氫誕活化反應(yīng)32015.12鈣鈦葉太陽箋電池中新型右機(jī)空穴傳海材料23235820L4J3可用犬誘導(dǎo)的活性m莊星聚合3018732014.74.我可助鐳型聚合砌太珀能電池±4353220 P 55納米組袋字2528 372QL446全聚合物太陽能吃泡222146201427基于口心%的高性能超皴電容器25214420142g間位磁亙課的宮能團(tuán)化20L55220142g圭強(qiáng)-二重態(tài)迎火上轉(zhuǎn)模2129472013.910具有精確原子蚌構(gòu)和配體修飾的金納米技1515982013 9圖6化學(xué)與材料科學(xué)Top"熱

4、點(diǎn)前沿的施引詫文2011司13mi*2015201二價(jià)苗惟北的醫(yī)司甫汪牝反應(yīng).»瞥法太陽卑電:也中新中石和中文旨摘材料*可見光情等的力性任出其變?yōu)?非宦勒幅里聚含初不陽差電氾.*謝諾與翦學(xué)*全£今鞫太陽能電池*基于“匯小自的高性般超輾電容器回位狂氫鐘的空黃團(tuán)叱.*三生志-三生擊連滅上怫*具有情敵臣子結(jié)均和配體性怖阿金刑聚展.*1.2 重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿一一三價(jià)鉆催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)傳統(tǒng)的合成化學(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)?鍵的直接化學(xué)轉(zhuǎn)化可以避免這一過程，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，過渡金屬

5、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、伯、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渡金屬（鎰、鐵、鉆、銀、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，“釘、銠催化的碳?xì)?鍵活化反應(yīng)”進(jìn)入化學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿，本年度則是“鉆催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)”入選。 鉆催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)可分為低價(jià)鉆（Cou）催化和高價(jià)鉆（Cow）催化兩類。本研究前 沿是高價(jià)鉆催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)。2013年，日本東京大學(xué)

6、金井求（Motomu Kanai）教授 和川島茂裕（Shigehiro Kawashima）博士報(bào)道了 Cp*Cow （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*CoW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*Rhw相比，Cp*Cow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)

7、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。表31 “三價(jià)牯催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)研究前沿中36篇核心論文的T叩產(chǎn)出國(guó)家/地區(qū)和機(jī)構(gòu)排名國(guó)冢/地區(qū)核心 論文比例解國(guó)冢核心 論文比例1德國(guó)1130.6%1魯廷根大學(xué)德國(guó)616.7%2中國(guó)1327.S%1東京大學(xué)日本616.7%3日本年KJ%3中國(guó)科學(xué)院中國(guó)513.9%4美國(guó)4H1%3明斯特尢學(xué)德國(guó)513.9%5外國(guó)3S.3%5北京大學(xué)中國(guó)38.3%6中國(guó)臺(tái)灣12.3%5基的科學(xué)砰究院韓國(guó)3S.3%6印度12.8%5酰國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院國(guó)33.3%8浙工大學(xué)中國(guó)25.6%8馬普學(xué)會(huì)德國(guó)25.6348北海道大

8、學(xué)日本25.6%國(guó)家/地區(qū)心文 技法比例排名國(guó)家心文 核論比例3星藥科大學(xué)日本25.確a休斯壩大學(xué)清湖分校美國(guó)25.6%3即魯大學(xué)美國(guó)25.確在施引論文方面（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

9、文。表0 "三伊結(jié)催化的碳?xì)浣ɑ罨磻?yīng)”研究前沿中施用論文Top產(chǎn)出國(guó)家J坦區(qū)和機(jī)構(gòu)國(guó)家/地區(qū)施引 詫哀比例國(guó)家弓-X 施青比例1中國(guó)250447批1中國(guó)科學(xué)院中國(guó)6411.2印安6912.3%2包廷根大學(xué)隹國(guó)2日5.Wb3德國(guó)6611.S%3南京大學(xué)中國(guó)234.1%4美國(guó)S34濟(jì)江上學(xué)中國(guó)175驛國(guó)386.8%5底均作大字驛國(guó)162.9%6日本356.3%6明前持大學(xué)德國(guó)152.7%F新m坡14工5癡6東京人學(xué)日本15Z.7陶a法國(guó)132.3%6韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研身院韓國(guó)152.7%9英國(guó)132.3%9印度理工學(xué)院印度1426%10中國(guó)臺(tái)灣101.0%10蘭州大學(xué)中國(guó)132簫10-河國(guó)

10、基秘科學(xué)研究院韓國(guó)132孤1.3 重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿一一納米組裝學(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

11、，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)?？?，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)該前沿也做出了積極貢獻(xiàn)（表33）。 在發(fā)展納

12、米組裝學(xué)的過程中，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。表33 “納米組裝學(xué)”研究前沿申編篇核心論文的丁叩產(chǎn)出國(guó)家/地區(qū)和機(jī)構(gòu)國(guó)家/地區(qū)核心 論文比例機(jī)枸國(guó)家核心 論文出馴1曰本G4.0%1日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所日本1664.0%2中國(guó)a32.02中國(guó)科學(xué)院中國(guó)-2a0牯3博克2日.。馳3早稻田夬學(xué)口本520.。油J德國(guó)2a.O%4昆上三大學(xué)澳大利亞 23.0%3美國(guó)2a.o%5桂?？茖W(xué)院捷克

13、23.0%J漁人利亞2a ,01b馬皆學(xué)會(huì)德國(guó)2日.瞅7法國(guó)14.0%7中國(guó)白酒】4.0%在施引論文方面，如表34所示，來自中國(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)表了多篇施引論文。表34 '納米組裝學(xué)”研究前沿中施引論文的T叩產(chǎn)出國(guó)家/地區(qū)和機(jī)構(gòu)排名國(guó)家/地區(qū)施引比例機(jī)構(gòu)國(guó)家/地區(qū)施引1比例1中國(guó)60131.0%1日本國(guó)立物質(zhì)材料吁究所日本20510.6%2日本2

14、3.9942中國(guó)科學(xué)院中國(guó)1447.4%3印度261135%3法國(guó)國(guó)家科學(xué)牙究中心法國(guó)55za%國(guó)家/地區(qū)施引1 1論文比例1國(guó)家/地區(qū)施引ttffj 14彝國(guó)1769.1%4旦稻田大學(xué)日本542.8%5美國(guó)165S5%5吉林大學(xué)中國(guó)4825%中國(guó)含酒現(xiàn)5.1%6臺(tái)港大學(xué)中國(guó)自灣433.2%7德國(guó)as45%7南洋里工大學(xué)新加坡371.9%3法國(guó)7231明S產(chǎn)業(yè)技術(shù)紿合出究所日本341.3%9澳大利亞7137%9東京女子醫(yī)科大學(xué)日本321.7%10新加坡5327%9慶北虱立大學(xué)外國(guó)321.7%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

15、涉及鈣欽礦太陽能電池及發(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、無機(jī)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(gè)研究方向，且該 研究主題從2014年開始就一直是化學(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)及無機(jī)鉛鹵鈣欽礦納米晶發(fā)光材料

16、 等三個(gè)方向入選。表克化學(xué)與材料科學(xué)的16個(gè)新興前沿序號(hào)新富前沿心文 核論引次 就頻核心詁文¥均出版年共價(jià)有機(jī)電架次告朝912120162錨單離子拓體411120163三價(jià)錢催化合或引悚芟化者初910120164無機(jī)笫囪把鈦冰納米晶發(fā)光材料（隨Ft%a1332015.95基于無機(jī)吸空層（CsPbX；的拈鈦曠型太汨能電池4140201.5.S6基于柱方屋主客體分子出別的超分子自身裝及其成巨5132201.5.SH新興前沿核心 始文引次核心論文 平均出版年7位點(diǎn)特異的蛋白貴處把學(xué)51172015B8連痍流動(dòng)生化學(xué)含成反應(yīng)51092015B9可反光氧化還原催正的弟足玩烷基化.反應(yīng)61702

17、015.710基于今-程內(nèi)陽梗所氧催化劑61542015711液相刺禺法制備二港物米戶材料61442015712不含當(dāng)?shù)母殊伿掷锿哧柲茈姵匚牧?1412015713苴于非專競(jìng)屬的雙功類電解水催化渡金屬催化的前胺破氮鍵肝轂反應(yīng)719S2015615非黃金屬催化的蠟足/煉足珪氫化反應(yīng)51162015516近紅外發(fā)光稀土的采溫度計(jì)51022015B2.2 重點(diǎn)新興前沿一一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)。電解水包括陽極析氧和陰極析氫兩個(gè)半反應(yīng)，參與 析氫反應(yīng)的

18、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(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，非常有必要開發(fā)能在一種環(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