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科技部:2016年中国科学十大进展,材料类4项

 

2月20日,科技部发布2016年度中国科学十大进展,中国科学十大进展遴选活动由科技部高技术研究发展中心举办,至今已举办12届。其遴选程序分为推荐、初选和终选3个环节,所推荐的科学进展为2015年12月1日至2016年11月30日期间正式发表的研究成果。


 


共有4项材料相关成果入选,3篇《Science》,1篇《Nature》。其中研制出将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂”名列榜首。下面机械科学与技术公众号带您一起回顾这四项材料相关的成果:



1、研制出将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂


将二氧化碳在常温常压下电还原为碳氢燃料,是一种潜在的替代化石原料的清洁能源策略,并有助于降低二氧化碳排放对气候造成的不利影响。实现二氧化碳电催化还原的关键瓶颈问题是将二氧化碳活化为CO2•−自由基负离子或其它中间体,这需要异常高的过电位。最近报道显示基于金属氧化物还原得到的金属比通过其它方法制备的金属催化活性要高,但是不清楚金属氧化物如何改变了金属的电催化活性,这主要是因为界面和缺陷等微结构的存在影响了二氧化碳还原的活性。


为了评估金属和金属氧化物两种不同催化位点的作用,中国科学技术大学谢毅和孙永福研究组制备了四原子厚的钴金属层和钴金属/氧化钴杂化层。他们发现在低过电位下,相对于块材表面的钴原子,原子级薄层表面的钴原子具有更高的生成甲酸盐的本征活性和选择性。而部分氧化的原子层进一步提高了它们的本征催化活性,在过电位仅为0.24伏下实现了10毫安每平方厘米的电流输出超过40小时,且其甲酸盐选择性接近90%,这超过此前报道的金属或金属氧化物电极在同等条件下得到的结果。该研究工作有助于让研究者重新思考如何获得高效和稳定的CO2电还原催化剂。相关研究结果发表在2016年1月7日《自然》上。加州理工大学Karthish Manthiram教授评论认为“这是一次重大的科学突破。虽然它在进入商业化使用之前还需要一段非常长的时间,但是目前这个阶段的发展不管从哪个角度看都是积极乐观的。”

 

钴/氧化钴杂化二维超薄结构电催化还原CO2为液体燃料



2、开创煤制烯烃新捷径


烯烃是与人们日常生活息息相关的重要化学品。我国是烯烃消费大国,其传统的生产原料主要依赖石油,这不仅使烯烃的生产成本居高不下,同时也严重地危及到了我国的能源安全。20世纪初,德国科学家费舍尔和拓普希提出了一条由煤经水煤气变换生产烯烃的费-托(F-T)路线,但是,该过程原理上会产生大量的副产物,同时还需要消耗大量的水,严重阻碍了该技术发展和实际应用。


中国科学院大连化学物理研究所包信和和潘秀莲研究团队从纳米催化的基本原理入手,开发出了一种过渡金属氧化物和有序孔道分子筛复合催化剂,成功实现了煤基合成气一步法高效生产烯烃,C2到C4低碳烯烃单程选择性突破了费托过程的极限,一跃超过80%。同时,反应过程完全避免了水分子的参与,从源头回答了李克强总理提出的“能不能不用水或者少用水进行煤化工”的诘问。该成果在纳米尺度上实现了对分别控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心的有效分离,使在氧化物催化剂表面生成的碳氢中间体在分子筛的纳米孔道中发生受限偶联反应,成功实现了目标产物随分子筛结构的可控调变。相关研究结果发表在2016年3月4日《科学》上。《科学》同期以 “令人惊奇的选择性”为题刊发了专家评论和展望,称赞该研究在原理上的突破将带来在工业上的巨大竞争力。该研究并被产业界同行誉为“煤转化领域里程碑式的重大突破”。

 

开创煤制烯烃新捷径

3、研制出首个稳定可控的单分子电子开关器件


利用单分子构建电子器件对突破目前半导体器件微小化发展的瓶颈意义重大。实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键。自20世纪70年代以来,设计构筑稳定可控的单分子器件,探索其与微电子工艺的兼容性,并获得真正意义上的分子电子开关,在当代纳米电子学研究中具有重大的科学意义。


北京大学北京分子科学国家实验室郭雪峰研究组原创性地发展了以石墨烯为电极、通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法,解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题。在此基础上,他们与电子学系徐洪起研究组以及美国宾夕法尼亚大学Abraham Nitzan等合作,通过功能导向的分子工程学成功地克服了二芳烯分子与石墨烯电极间强耦合作用的核心挑战性问题,从而突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。这项研究工作使得在中国诞生了世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件。石墨烯电极和二芳烯分子稳定的碳骨架以及牢固的分子/电极间共价键链接方式使这些单分子开关器件具有空前的开关精度、稳定性和可重现性,在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。相关研究结果发表在2016年6月17日《科学》上。《科学》同期配发评述文章认为:“该研究展示了在纳米尺度上对物质的精致控制”。



国际首例稳定可控的单分子电子开关器件

4、揭示水的核量子效应


对于大多数材料体系而言,一般只需要考虑电子的量子化,原子核则被当作经典粒子来处理。然而,水中三分之二的原子是氢原子,由于氢原子核的质量很小,其量子效应会异常显著。氢核的量子效应对水的氢键相互作用到底有多大影响?或者说氢键的量子成分有多大?被认为是揭开水的奥秘所需要回答的关键问题之一。由于氢核的量子化研究无论对于实验还是理论都非常具有挑战性,这个问题一直没有得到很好的解答。


北京大学物理学院王恩哥和江颖研究组与合作者,在相关实验技术和理论方法上分别取得突破:发展了一套“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术,获得了单个水分子的高分辨振动谱,并由此测得了单个氢键的强度;开发了基于第一性原理的路径积分分子动力学方法,实现了对电子量子态和原子核量子态的精确描述。基于此,他们在国际上率先测定了氢键的量子成分,首次在原子尺度揭示了水的核量子效应。研究结果表明,氢键的量子成分可远大于室温的热能,氢核的“非简谐零点运动”会弱化弱氢键,强化强氢键,这个物理图像对于各种氢键体系具有相当的普适性。该工作是对“氢键的量子成分究竟有多大”这一物质科学基本问题的首次定量解答,澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质,将有助于理解水和其他氢键体系的很多反常特性。相关研究结果发表在2016年4月15日《科学》上。该研究被审稿人评价为“氢核量子效应研究的实验杰作”;核量子效应研究领域权威专家德国的Dominik Marx教授认为该工作“完成了难以置信的任务”。


 


探测到水的核量子效应