2017年化学与材料科学热点前沿和新兴前沿

2017-11-03 化学加

来源 |《2017研究前沿》编辑 | 化学加

导读

11月2日上午，中国科学院科技战略咨询研究院、中科院文献情报中心与科睿唯安公司在北京向全球发布了《2017研究前沿》报告和《2017研究前沿热度指数》报告。

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《2017研究前沿》报告依托Web of Science和Essential Science Indicators （基础科学指标，简称ESI）的高质量数据，遴选出了2017年自然科学和社会科学的10个大学科领域排名最前的100个热点前沿和43个新兴前沿。在143个前沿中，“冷冻电镜技术在生物大分子三维结构解析中的应用”是今年诺贝尔化学奖的主题，“双黑洞等双致密天体的形成及并合”与今年诺贝尔物理学奖主题引力波研究密切相关。
化学与材料科学领域Top10热点前沿主要分布在太阳能电池、有机合成、纳米技术、超级电容器、自由基聚合、上转换发光等领域。
一、热点前沿

上图中，绿色为“重点热点前沿”：三价钴催化的碳氢键活化反应和纳米组装学。

重点热点前沿：三价钴催化的碳氢键活化反应

钴催化的碳氢键活化反应可分为低价钴（Co Ⅱ）催化和高价钴（Co Ⅲ）催化两类。本研究前沿是高价钴催化的碳氢键活化反应。2013 年，日本东京大学金井求（Motomu Kanai）教授和川岛茂裕（Shigehiro Kawashima）博士报道了Cp*Co Ⅲ（Cp*= 五甲基环戊二烯）络合物催化的2- 苯基吡啶碳氢键活化直接加成到亚胺、烯酮上的反应。此后，研究人员不断扩大Cp*Co Ⅲ催化剂的应用范围并研究其催化机理。与其替代对象Cp*Rh Ⅲ相比，Cp*Co Ⅲ不仅可用于前者催化的反应，而且由于反应活性差异，导致可能采取不同的反应路线从而生成不同的产物。

在本研究前沿中，德国、日本、美国、韩国以及中国等国家或地区发表了多篇核心论文。日本东京大学、德国哥廷根大学、明斯特大学、美国耶鲁大学、韩国基础科学研究院等研究机构在该领域做出了突出贡献。浙江大学、北京大学、中科院大连化物所等研究机构的工作也比较突出。

重点热点前沿：纳米组装学

“纳米组装学”（nanoarchitectonics）这个概念最早由时任日本理化学研究所首席科学家的Masakazu Aono 教授（现在日本国立物质材料研究所工作）于2000 年在第一届纳米组装学国际研讨会上提出。Masakazu Aono 教授认为，纳米技术不是微米技术在尺度上的简单延伸，两者存在重大不同但又容易混淆，因此有必要创造一个新的名词来反映研究范式上的变化。作为材料科学和技术在纳米尺度的研究范式，纳米组装学是指将纳米尺度结构单元（原子、分子、功能组件）组装成所需纳米结构的技术体系，通过控制协调纳米结构内各种相互作用，使产生的结构具有新的功能。

从2003 年第一次出现在论文题目中到现在，纳米组装学已经扩散到多个领域并得到了广泛认可。从纳米结构组装、超分子自组装、杂化材料，到仿生酶、传感器、药物缓释等，纳米组装学在器件制造、能源和环境科学、生物和医学等领域得到广泛应用。2016 年，Advanced Materials 杂志组织了一期纳米组装学专刊，邀请日本、中国、美国、德国、法国、荷兰等国研究人员综述纳米组装学的研究和应用进展。

二、新兴前沿

重点新兴前沿——基于非贵金属的双功能电解水催化剂

利用电化学催化方法分解水产氢是可再生能源存储的一种有效方法，同时也被认为是可以解决当前能源危机最安全有效的技术。电解水包括阳极析氧和阴极析氢两个半反应，参与析氢反应的催化剂（一般是过渡金属）在酸性环境下效率最高，参与析氧反应的催化剂（一般是贵金属）却需要在碱性环境中才能表现出优越的催化性能。要在一种电解液中将水完全分解同时获得氢气和氧气需要将两种催化剂结合，而这样就会使催化剂的催化性能大打折扣。因此，非常有必要开发能在一种环境中对析氢和析氧反应都具有很高活性的非贵金属催化剂，在降低生产成本的同时，提高催化性能。所以，基于非贵金属的双功能电解水催化剂成为现阶段电水解领域的重点研究方向，同时也成为电解水制氢领域获得巨大突破的希望所在。

本年度的新兴前沿中关于非贵金属电解水的关注点转移到了既能析出氢气又能同时析出氧气的双功能非贵金属电解水催化剂上。目前针对这类催化剂的研究主要集中在对过渡金属（主要是Ⅷ族）钴、镍的磷化物或者两者合金的氧化物及硫化物等物质上，而且由于碱性电解液可以获得高的离子电导率和低的过电势，所以关于该领域的研究多在强碱性电解液中进行。美国犹他州立大学在此领域表现突出，美国6篇核心论文有4 篇出自该大学，其中在铜箔上采用电沉积的方法制备Co-P膜一文被引频次最高，已经接近200次，后续研究者从Co的其他复合物、其他磷基化合物及其他膜类双功能非贵金属催化剂等方向入手对其工作进行了改进。中国科学院在该前沿也有优异表现，中国5篇核心论文中有3篇来自中国科学院。