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)重空穴傳輸材料研究

2、。今年是非貴金屬鉆的催化轉(zhuǎn)化, 僅繼續(xù)有具體的前沿研究入選, 器領(lǐng)域，基于納米孔碳電極（ 經(jīng)入選熱點前沿或新興前沿，在有機合成領(lǐng)域，碳氫鍵的活化反應也是連年入選，往年側(cè)重在釘、銬等貴金屬的催化轉(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，不而且首次出現(xiàn)宏觀的研究概念一一納米組裝學。在超級電容2014年）、納米二氧化鎰電極材料（2016年）的超級電容器曾今年入選的是基于 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。表m化學與材科科學top 10熱點前沿序

3、號熱點前希核心 論文穗弓1 歷次核心論文 平均出版年1-色鉆住叱的施意道活化反應21892hl5 12鈣就獷太附能電池中新型育機空穴傳輸樹鶻2923592q14j3可見光誘導的活性自由基聚合301s722014.74*后勤佛型量含物太總能電池443532mu55納米哥苦學25 1283t2二匕一e華瞽合物太陽靛電池232146201427基于meoa的高怛船超阪電皆零25214420141s同他的£藻的官修團化201552mm29三電態(tài)三重杳沒滅上轉(zhuǎn)嚶21294720l3,fil0具有福神原子值構(gòu)和配體修飾的畬納米族151598和l3 gj.i皿囹6化學與材料科學toplo熱點前沿的

4、施引於文 三憐冊化的曜310故反應 特比甲k陽能電電山和垸目旭穴住順葉科 可卬.廣請0里沽士日擊皋木告 非盲說步型至含期太陽箋電海 切朱西弟李 全家領(lǐng)太陽戰(zhàn)電池 至于mcq&他言性留相話電容賽»田箱諾占堂明包里比比 一克可,一壬本連天上畤悔且不陸第原干后叼斤工休館而用三*永金1.2 重點熱點前沿一一三價鉆催化的碳氫鍵活化反應傳統(tǒng)的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已成為重要 的合成工具，特別是

5、貴金屬（銬、釘、鉞、鉗、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（鎰、鐵、鉆、銀、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，“釘、銬催化的碳氫鍵活化反應”進入化學領(lǐng)域top10熱點前沿，本年度則是“鉆催化的碳氫鍵活化反應”入選。 鉆催化的碳氫鍵活化反應可分為低價鉆（con）催化和高價鉆（com）催化兩類。本研究前沿是高價鉆催化的碳氫鍵活化反應。2013年，日本東京大學金井求（ motomu kanai）教授和川島茂裕（shigehi

6、ro kawashima）博士報道了 cp*co" （cp*=五甲基環(huán)戊二烯）絡合物 催化的2-苯基口比咤碳氫鍵活化直接加成到亞胺、烯酮上的反應。此后，研究人員不斷擴大 cp*co出催化劑的應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，而且由于反應活性差異， 導致可能采取不同的反應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、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

7、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。表31 “三價鉆催化的碳氫器活化反應”研究前沿中36篇核心論文的t叩產(chǎn)出國家/地區(qū)和機構(gòu)林名國家/地區(qū)心文 核論比例排名國家核心 論文比例1帝國1130g1司廷根大學德國616.72中國1027,0%1東京大學日本61.7%3m本5班徵3中國科學院中國51j.3%4美國411,1%3明斯特大學德國5139%5韓國38.3%5北京大學中國3j.3%5中國臺港12.8%t基砒科學研究院韓國3a.3%6印度12.3%5韓國軍|學技術(shù)研究院韓國34.3%&浙江大學中國25.6%6馬普里會鐫國25 .wb&非海道大學日本25jg%摔名國

8、家/地區(qū)棱心 論文比例掉名機構(gòu)國家核心論文比例w星藥內(nèi)大學日本25 一砒8休斯吸大宇清湖分校美國，5£處耶督大學美國 25.6馳在施引論文方面（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。

9、南葭“三價鉆催出的磕氫鍵活優(yōu)反應” m費前沿中施引論文top產(chǎn)出國家j延區(qū)知也枸卜冢施引也例41x1國發(fā)|將引比例j1申國254>44 t%1中國科學浣中國6411.4%2印度gd123%2同廷揖大學2&3德國6611.8%3南京大學中國234.1地4羊國534浙江大學中國175韓國386上%5成均性大字韓國162 9聆6日率356.3%6明所要大學德國152.7«tt新加較142m5東京大學日聿152.18法國132.3%6存國科學技術(shù)喬究院韓國嶼2.9英國132.3%9國度理工學院印度1410卬國臺暹101.0%10蘭州大學中國1310聃國基油布學吊究院睇國13工琳

10、1.3 重點熱點前沿一一納米組裝學“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20

11、03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) 域得到廣泛應用。2016年，advanced materials雜志組織了一期納米組裝學?？埲毡?、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

12、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。表33 "納米垠裝學.研究前沿中25篇核心性文的gp產(chǎn)出國家/城區(qū)和機料0國家，地區(qū)核心比例1機構(gòu)國宗j1i比例1曰本16&4.0%1日本國立物質(zhì)材料研究所日本1&4”2中國b320%1中國利學院中國73捷克2e.cm1w稻田大竽日本520,0%j德國e4苣上蘭大學澳人利豆23美國z&哪5韓克利學院褥克2屏醇3廛大利亞£5馬君學會鐫國2

13、8g7法陽14.(r%7中國臺灣14.m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)表了多篇施引論文。表34 “納米胡裝學”研究前沿中施引論文的t.產(chǎn)出國家/地區(qū)和機構(gòu)排名國冢/地區(qū)摘引 愴文比例排名機構(gòu)國家/地區(qū)鹿引笛文比蒯1中國w131.0%1日本國立越感材料研究所日才20510«%2日本463坦9拈2中國科學病中國144工程3印

14、度261l35%3法國國家科學班汽中心在國55排名國家/地區(qū)施引 酸1比例機構(gòu)國家/地區(qū)施引 薇比例4新國17691%4旦稻用大學日本542.3%5美國1658%5吉林大學中國必25%6中國臺灣加5j%6自言大學中國臺灣432.2%7德國盟4j%7南洋理工大學新加坡371.9%3法國7237%8立業(yè)技術(shù)繇言時究所日本34l3%g澳大利亞713.7%9東京女子醫(yī)科大學日本321.7%10新加坡5j27%9床北國立大學韓國3217%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、納米材料及器

15、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就有兩個方向入選。關(guān)于框架化合物及柱芳煌的研究繼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、稀土納米溫度計及無機鉛鹵鈣欽礦納米晶發(fā)光材料 等三個方向入選。展35化學與材料科學的16個新興前沿新興前沿林心11樓心論

16、文 平均出版年其價有機框架化合憫91212(116l懵里離子瞌體4111816三價錢催化合成61味類化含物9101州184無機鉛或轉(zhuǎn)鈦礦納米晶發(fā)光財科（tpbx,）s1羽2015.95基于無機吸光層匕spb%）的鈣鈦甲型太汨能電池4140皿5r6基于柱為姓主客體分?第別的超分子自紐裝及其代用513220153序號青興核心,文制弓1 頻次核心越文 平均出版年7位直特異的蛋白黃改性轡學51172015b3連續(xù)流動光化學合成反應sw92015 b9可見光氧化還原催化的諦坦氮烷基化反立61702015710基于鐵空肉陽鞍析氧催化劑615420157h液相刺離片制備二維納米片材料61442詛5712不含

17、鉆的鉆法獷型太陽慳電池吸光材料714120157皇于非黃金屬的雙功能電解水催化劑17tia2015 fi14過渡金屬催比的酰般m建斷裂反宣7即15615非貴金屆假化的礴足/螃珪氧化反應51162015616近紅外發(fā)光稀土蝌米顯度計5q2201&a2.2 重點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，參工析氫反應的催化劑（一般是過渡金屬）在酸性環(huán)境下效率最高，參與析氧反應的催化劑（-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

18、。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)能在一種環(huán)境中對析氫和析氧反應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