2017研究前沿-化學與材料科學

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Top10熱點前沿發(fā)展態(tài)勢化學與材料科學領域Top10熱點前沿主要分布在太陽能電池、有機合成、納米技術、超級電容器、自由基聚合、上轉換發(fā)光等領域。與2013-2016年相比，2017年Top10熱點前沿既有延續(xù)又有發(fā)展。在太陽能電池領域，關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）的關注，鈣鈦礦太陽能電池則側重空穴傳輸材料研究。在有機合成領域，碳氫鍵的活化反應也是連年入選，往年側重在釕、銠等貴金屬的催化轉化，今年是非貴金屬鈷的催化轉化，另外今年還突出了間位碳氫鍵的活化。在納米技術領域，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――納米組裝學。在超級電容器領域，基于納米孔碳電極（2014年）、納米二氧化錳電極材料（2016年）的超級電容器曾經入選熱點前沿或新興前沿，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。在上轉換發(fā)光領域，“三重態(tài)-三重態(tài)湮滅上轉換”入選熱點前沿。1.2重點熱點前沿——三價鈷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化可以避免這一過程，大大提高反應的原子經濟性和步驟經濟性，因而受到廣泛關注并取得蓬勃發(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，特別是貴金屬（銠、釕、銥、鉑、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向儲量豐富、成本低廉的第一行過渡金屬（錳、鐵、鈷、鎳、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，“釕、銠催化的碳氫鍵活化反應”進入化學領域Top10熱點前沿，本年度則是“鈷催化的碳氫鍵活化反應”入選。鈷催化的碳氫鍵活化反應可分為低價鈷（CoⅡ）催化和高價鈷（CoⅢ）催化兩類。本研究前沿是高價鈷催化的碳氫鍵活化反應。2013年，日本東京大學金井求（MotomuKanai）教授和川島茂裕（ShigehiroKawashima）博士報道了Cp*CoⅢ（Cp*=五甲基環(huán)戊二烯）絡合物催化的2-苯基吡啶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*CoⅢ催化劑的應用范圍并研究其催化機理。與其替代對象Cp*RhⅢ相比，Cp*CoⅢ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、韓國基礎科學研究院等研究機構在該領域做出了突出貢獻。浙江大學、北京大學、中科院大連化物所等研究機構的工作也比較突出。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機構中，日本國立物質材料研究所論文數(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也發(fā)表了多篇施引論文。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、納米材料及器件的制備、光化學等研究。本年度該領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，針對非貴金屬的催化反應就有兩個方向入選。關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、稀土納米溫度計及無機鉛鹵鈣欽礦納米晶發(fā)光材料等三個方向入選。2.2重點新興前沿——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。電解水包括陽極析氧和陰極析氫兩個半反應，參與析氫反應的催化劑（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（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獲得氫氣和氧氣需要將兩種催化劑結合，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)階段電水解領域的重點研究方向，同時也成為電解水制氫領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年具有納米結構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于非貴金屬電解水的關注點轉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水催化劑上。目前針對這類催化劑的研究主要集中在對過渡金屬（主要是Ⅷ族）鈷、鎳的磷化物或者兩者合金的氧化物及硫化物等物質上，而且由于堿性電解液可以獲得高的離子電導率和低的過電勢，所以關于該領域的研究多在強堿性電解液中進行。美國猶他州立大學在此領域表現(xiàn)突出，美國6篇核心論文有4篇出自