专访 ǀ 杨上峰 ǀ 探索富勒烯的奥秘

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杨上峰

人物介绍

杨上峰，中国科学技术大学，化学与材料科学学院

教育经历

(1) 1992.9–1996.7, 厦门大学化学系，本科

(2) 1996.9–1999.7, 中国科学院福建物质结构研究所，硕士

(3) 1999.9–2003.12, 香港科技大学化学系，博士

工作经历

(1) 2004.2-2007.12，德国莱布尼兹固体材料研究所，洪堡学者/Guest Scientist

(2) 2007.12-至今, 中国科学技术大学, 化学与材料科学学院，教授，博士生导师

课题组主页：

http://staff.ustc.edu.cn/~sfyang（“阅读原文”访问课题组主页）

课题组简介

本课题组依托于合肥微尺度物质科学国家研究中心及中科院能量转换材料重点实验室，主要从事新型富勒烯功能材料的开发及其在光电能量转换与存储中的应用研究。课题组现有1位副教授，1位博士后，10位博士生，8位硕士生和4位本科生。本组每年招收2-3位博士生，3-4位硕士生。在国家杰出青年基金，基金委重点项目以及科技部国家重点研发计划等在研项目支持下，本组现有2-4个博士后位置空缺，热诚欢迎从事碳材料和能源材料相关研究的博士后加盟，并热诚欢迎感兴趣的学生报考本组博士、硕士生。

（课题组合影，摄于2020年9月）

人物访谈

请简单介绍一下您的科研工作？

我的科研工作主要集中于新型富勒烯功能材料的开发及其在光电能量转换与存储中的应用研究。富勒烯(fullerene)是继石墨、金刚石之后人类发现的碳的第三种同素异形体, 是由五元环和六元环组成的球状分子，最早的代表物C60 于1985 年被发现，由于富勒烯对于包括化学、物理、材料等领域的深远影响，富勒烯的发现者Kroto, Smalley，Curl荣获了1996 年诺贝尔化学奖，并被誉为“纳米王子”。富勒烯具有独特的三维拓扑结构以及物理、化学性质，已在光、电、磁等方面展示了广阔的应用前景。基于富勒烯的笼状分子结构，可以分别对其进行碳笼内的修饰（内嵌）和碳笼外的修饰（衍生化），从而实现对其物理、化学性质进行调控。

我组目前的研究思路如下图所示，包括三个方面：1）新型内嵌富勒烯功能材料的开发：致力于探索在富勒烯碳笼内部内嵌新的金属（如过渡金属）团簇，以期为富勒烯材料引入新的性质（如单分子磁性）；2）新型富勒烯衍生物的合成：致力于开发具有优异光电转换性能的新型富勒烯衍生化材料；3）富勒烯功能材料在光电能量转换与存储中的应用：主要集中于将我们开发的新型富勒烯功能材料（包括内嵌富勒烯及富勒烯衍生物）应用于钙钛矿太阳能电池，并将富勒烯与石墨烯、黑磷等二维纳米材料进行杂化，应用于光催化产氢、储能等领域。

您的研究领域面临哪些挑战，您对该领域有何展望？

虽然富勒烯经过35年的发展已在能源、催化、生物医学等领域展示出广阔的应用前景，但仍然存在一些亟待解决的关键科学问题，如形成机理不明确、无法实现可控合成、缺乏杀手锏级的应用等。我认为开发新结构富勒烯功能材料是解决这些挑战性问题的前提，通过开发更多的富勒烯功能材料，将有助于揭示不同富勒烯分子结构之间的关联，从而为建立合理的机理模型提供实验依据。此外，通过广泛研究不同富勒烯功能材料的物理、化学性质，有望筛选出具有应用前景的材料（如明星富勒烯衍生物PCBM在相当长的一段时间内曾是聚合物太阳能电池不可或缺的受体光伏材料），实现富勒烯功能材料杀手锏级的应用。

简单介绍一下最近发在Frontiers上的一个工作

全球性的能源危机，使得可再生能源的利用受到了人们的广泛关注，其中太阳能电池是一项最具潜力的可再生能源利用技术。从第一代硅太阳能电池，到第二代无机半导体化合物薄膜太阳能电池，再到如今的第三代太阳能电池，太阳能电池得到了不断发展。特别地，基于钙钛矿结构的金属卤化物具有吸光系数高、载流子扩散距离长、载流子迁移率高、以及缺陷容忍度好等优点，使得钙钛矿太阳能电池经过十余年的飞速发展，能量转换效率已达到25.5%。除了优化钙钛矿太阳能电池的器件结构，调节钙钛矿吸光层的组分、形貌、结晶性以及钙钛矿/电极之间的界面皆是更进一步的提升器件效率以及稳定性的有效手段。富勒烯材料由于具有高的电子亲合能力、高的载流子迁移率、小的重组能、易于进行化学修饰等优点，被广泛应用于钙钛矿太阳能电池的电子传输材料或者钙钛矿吸光层的添加剂。

近日，我组对富勒烯材料（主要是富勒烯衍生物）在钙钛矿太阳能电池中应用的最新进展进行了全面总结，强调了富勒烯衍生物的化学功能化策略及其加成基团对改善钙钛矿太阳能电池性能的重要性。基于目前所报道的应用于钙钛矿太阳能电池的富勒烯衍生物。我们根据加成基团的类型和加成模式将其进行了分类，并揭示了富勒烯衍生物（尤其是加成基团）的化学结构与其提升钙钛矿太阳能电池器件效率和稳定性的效果之间的关联。最后，我们对开发新型富勒烯衍生物以实现高性能钙钛矿太阳能电池器件进行了展望，并提出了该领域未来的发展方向和看法。该综述近期以题为“Functionalization of Fullerene Materials toward Applications in Perovskite Solar Cells”发表于Mater. Chem. Front. 2020, 4, 2256-2282。

您最喜欢您的哪部分研究工作？

我组近几年及未来数年的研究重心为开发新型内嵌富勒烯功能材料，尤其是基于内嵌磁性稀土或过渡金属团簇的新型内嵌金属团簇富勒烯，因为这方面的研究不经可以探索富勒烯碳笼内部的神秘之处，而且可以通过合成分离独特的新结构富勒烯功能材料，从而进一步探索其新性质（如单分子磁性）。详见我们近期的综述文章：Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 1048-1073；Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 5005-5058；科学通报，2020, 65, 2209-2224。

是什么促使您从事现在的研究？

我在厦门大学化学系读本科期间，正值富勒烯研究的高潮时期，当时我和一位室友利用课余时间进入了郑兰荪老师的课题组，跟随一位年轻教师做了一段时间的科研训练，虽然当时基础知识有限，很多原理不懂，但富勒烯碳笼的高对称性结构给我留下了深刻的印象。另外，我大四毕业那年（1996 年）刚好诺贝尔化学奖颁发给了三位富勒烯的发现者Kroto, Smalley，Curl，这进一步加深了我对富勒烯的兴趣。1999年我有幸申请进入了香港科技大学化学系杨世和教授课题组攻读博士（杨世和老师和郑兰荪老师都曾在富勒烯的发现者之一Smalley教授课题组亲身经历过富勒烯C₆₀的发现过程），从那时起通过杨世和老师的指导我开始进入了富勒烯领域，一直坚持到现在。虽然富勒烯领域已经发展了35年，研究热度已不可避免地有所降低，研究难度也越来越大，但对我而言仍然具有极大的吸引力，我仍将继续坚持在该领域辛勤耕耘，争取推动该领域的发展。

您对有志于从事科研工作的学生有什么建议？

首先做好人生规划，明确读研究生的目的，选择自己感兴趣的研究方向，只有这样才能做到碰到困难时不退缩。开始科研工作时应注重时间管理和工作效率，并加强与导师和同组同学之间的沟通，认真执行导师安排的实验任务。另外，除了关注自己的研究课题外，应尽可能地参与一些合作课题，拓宽自己的视野。

您在选择研究生时更看重哪些方面？为什么？

执行力，毅力和抗压能力。作为研究生，认真执行导师安排的实验任务是至关重要的，只有做到保质保量地完成实验任务，才能保证课题的顺利推进。此外，勇于克服困难和挫折，坚持实现实验目标的毅力，以及面对外部压力不被压倒的能力显然也是做好科研工作的前提。

您觉得您有哪些日常生活中的习惯或爱好对您的工作/研究产生了积极的影响？

工作之余我经常进行体育锻炼，打打羽毛球或饭后走路，我从读研究生开始就打羽毛球，我觉得这些兴趣爱好一方面可以保证劳逸结合，调节心情，提高自己的身体素质和免疫力；另一方面可以结识一些不从事科研工作的球友，多了解一些其他职业方面的情况，从而促进自己对科研工作的思考。

杨上峰课题组发表在Frontiers期刊上的部分文章：

Fused-ring phenazine building blocks for efficient copolymer donors

Wenting Li, Qishi Liu, Ke Jin, Ming Cheng, Feng Hao, Wu-Qiang Wu, Shengjian Liu, Zuo Xiao, Shangfeng Yang, Shengwei Shi and Liming Ding

Mater. Chem. Front., 2020,4, 1454-1458

https://doi.org/10.1039/D0QM00080A

A wide-bandgap copolymer donor based on a phenanthridin-6(5H)-one unit

Ju Wang, Yaxin Gao, Zuo Xiao, Xianyi Meng, Lixiu Zhang, Ling Liu, Chuantian Zuo, Shangfeng Yang, Yingping Zou, Junliang Yang, Shengwei Shi and Liming Ding

Mater. Chem. Front., 2019,3, 2686-2689

https://doi.org/10.1039/C9QM00622B