2016年世界新材料技术发展盘点（十）

前沿新材料之纳米材料

1. 单原子级别的催化剂材料及催化机理研究不断突破

2016年5月13日第352卷Science杂志报道了厦门大学郑南峰团队在此领域的研究突破。此团队利用光化学法在室温条件下制备出Pd负载量高达1.5%的稳定的原子级分散Pd1/TiO2催化剂。该催化剂催化氢化苯乙烯的TOF是商业Pd/C催化剂的9倍。该单原子Pd1/TiO2催化剂催化氢化苯甲醛具有超高活性，其TOF是商业Pd/C催化剂的55倍。科学家试图将C、N和储量丰富的单原子Fe、Co等相结合。我国大连化物所张涛团队2016年6月13日第7卷的Chem.Sci杂志上报道了此类突破，发展了一种单金属原子的Co-N-C催化剂。单原子催化剂宣告了金属使用率的极限，即每个单独的原子都是一个活性位点。这种原子级分散的催化剂具有复杂的活性和选择性，能够高效催化硝基化合物氢化偶联成芳香偶氮化合物。

2. Pt基金属合金纳米结构的ORR超高质量活性

随着能源危机和环境污染的日益加剧，开发新型的清洁能源变得刻不容缓。其中涉及电化学过程的氧还原反应（ORR）是最具实际应用前景的能源转换和存储方式之一。2016年12月16日第354卷的Science杂志报道了美国加州大学伯克利分校的段镶锋教授、黄昱教授和William A. Goddard III教授课题组合作在此领域的突破。报道了一种带有锯齿结构的Pt纳米线，在ORR反应中实现了超高质量活性。高应力的、富菱形结构的表面是这种锯齿结构Pt纳米线ORR质量活性提高的重要原因。Pt纳米颗粒为代表的电催化剂在燃料电池和水裂解等能源领域的重要性不言而喻。系统提升电催化剂催化活性的主要策略之一是调控金属纳米颗粒的电子结构。2016年11月25日的第354卷Science杂志报道了美国斯坦福大学崔屹课题组的研究突破。此团队开发了一种利用电池电极材料直接、连续控制Pt纳米催化剂的晶格应力，并调控其ORR催化活性的普适性策略。

3. 有机、无机纳米多孔框架材料及催化研究突破：

1）理性设计并制备沸石分子筛材料 沸石分子筛是一类具有规则纳米孔道的硅铝酸盐晶体，已成为当前化学工业中最为重要的固体催化剂材料。吉林大学于吉红院士团队发现，不论是通过紫外辐射还是Fenton试剂所引入羟基自由基，都能够大大加快沸石的结晶过程，可快2倍左右。2016年3月11日，《Science》刊发了于吉红院士研究团队在沸石分子筛材料方面的突破性成果。这一发现是无机微孔晶体材料生成机理研究方面的重要突破，使人们对沸石分子筛的生成机理有了新认识，为在工业上具有重要需求的沸石分子筛材料的高效、节能和绿色合成开辟了新的路径。

2）纳米金属有机框架材料（MOF）及选择性催化研究应用突破 MOF内配位不饱和的金属位点可以直接调节MOF与反应物的相互作用，活化目标化学键，降低化学反应的能垒。2016年10月6日，国家纳米科学中心的唐智勇、李国栋和澳大利亚格里菲斯大学的Huijun Zhao（共同通讯作者）等在《Nature》杂志上报道了将铂纳米颗粒封装到MOF层间或孔道内构建具有高效选择性催化的反应容器。该反应器由含Fe³⁺, Cr³⁺的MOF将铂纳米颗粒封装其中形成的三明治平台对催化α，β-不饱和醛的加氢反应具有高活性和高选择性。

4. 二维纳米材料研究不断突破:

1）二维金属碳化物（MXene）薄膜电磁干扰屏蔽材料 电子设备在发射信号和利用电能的过程中,电磁波于电子元件发生作用，会产生电磁干扰，不仅影响设备使用性能，还不利于人体健康。2016年9月9日第353卷Science杂志报道了此类研究突破。Shahzad等人报道了一系列基于柔性二维金属碳化物（MXene）薄膜的电磁干扰屏蔽材料。他们不仅制备了一系列MXene (Ti₃C₂Tx, Mo₂TiC₂Tx, Mo₂Ti₂C₃Tx)薄膜，还将MXene的优异导电性、亲水性、力学性能和海藻酸钠（SA）的廉价易得、柔性结合起来，得到贝壳状Ti₃C₂Tx -SA复合材料。

2）锯齿边缘石墨烯纳米带的精确制备 相比于延展开来的石墨烯材料，基于石墨烯的纳米结构表现出更加优异的电学性能。带有锯齿边缘的纳米结构极有可能具有自旋极化的电子边界态，从而用作石墨烯自旋电子元件的关键元素。2016年3月24日第531卷的《Nature》杂志报道了Pascal Ruffieux等人的研究突破。他们实现了一种直接在表面生长锯齿边缘的石墨烯纳米带的策略。利用扫描隧道光谱，他们发现了具有较大能量分裂的局域边缘态。

3）钴和钴氧化物杂化的超薄二维材料及电催化性能研究突破 中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室谢毅院士、孙永福特任教授课题组设计新型二维电催化材料，将二氧化碳高效“清洁”地转化成液体燃料。2016年1月7日第529卷的《Nature》杂志报道了此研究突破。研究成果表明，钴和钴氧化物杂化的超薄二维材料能够大幅度地提高其原本很低的对二氧化碳的催化还原性能。超薄二维结构和金属氧化物的存在提高了钴催化还原二氧化碳的能力。这一发现有助于让研究者们重新思考如何获得高效和稳定的二氧化碳电还原催化剂，对推动电催化还原二氧化碳机理研究也具有重要的意义。

5. 光催化研究领域继续突破：

1）利用太阳能转化CO₂为燃料，纳米结构催化剂效率提升千倍 将二氧化碳（CO₂）转化为燃料是近几年的研究热点。由于CO₂自身的化学惰性，导致催化效率低。因此，研究者们一直在寻找开发更高活性的催化剂。美国伊利诺伊大学芝加哥分校的Amin Salehi-Khojin和阿贡国家实验室的Larry A. Curtiss等科学家在2016年7月29日第353卷的《Science》杂志上报道了一种高效的过渡金属二硫属化合物（如WSe2）纳米结构催化剂，并设计出一种新型太阳能电化学催化反应装置，能在低过电位下于离子液体中直接将CO₂转化成合成气，生成一氧化碳的效率可达传统银纳米颗粒催化剂的1000倍，整个过程廉价且高效，稳定性好。随后作者设计了一种新型太阳能电池装置。采用上述装置模拟太阳光，系统能量转换效率约4.6%，而采用相同装置分解水反应的能量转换效率为2.5%。连续使用100小时性能未见明显下降。

2）超高分辨率荧光成像技术助力纳米光催化 单分子荧光技术在多相催化中的另一个巨大威力：在纳米尺度上，直接显示光催化剂催化活性位。2016年2月4日第530卷的《Nature》杂志上报道了康纳尔大学的Chen Peng教授的单粒子荧光催化的文章。利用单分子荧光技术直接将荧光分子前躯体作为反应物，通过控制电极电势，在纳米尺度上将催化剂的氧化（空穴参与）与还原反应（电子参与）的位置成像出来。这篇工作将光电阳极表面光生电子—空穴对的空间分辨率推进到了~30 nm的层次，而且利用聚焦激光束以及荧光分子作为探针，获得了表面不同位置处的光电效率，打开了理性设计光催化剂体系的大门。

6. 纳米仿生材料及性能突破研究继续火热

1）高度可拉伸的电致发光皮肤用于信号发光和触觉传感 美国康奈尔大学的Larson等人开发了一种可拉伸的电致发光皮肤。这种材料具有很好的弹性，可以发光，同时还可以感受来自内部和外界的压力。他们将这种电子皮肤整合到软体机器人中，机器人在运动的过程中可以伸展、发光。本研究成果发表在2016年3月4日第351卷的《Science》杂志上。

2）中科院理化所江雷研究组等揭示猪笼草捕食的奥秘 2016年4月6日，《Nature》杂志在线发表中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学实验室江雷研究员与北京航空航天大学机械工程及自动化学院同仁合作的此研究成果。这一新的发现对于开发设计新型定向流体输运系统具有指导意义，在农业滴灌、无动力的微药物传输等领域具有广阔的应用前景。

3）仙人掌对高分子膜的启示 韩国汉阳大学、中国天津大学和澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的科学家们受到仙人掌的启发而发明了一种新的高分子膜，能够显著提高离子交换膜的自湿润性能，从而改善燃料电池乃至以之为动力的电动车产业的格局。他们的论文发表在2016年4月28日第532卷的《Nature》杂志上，通讯作者是天津大学“千人计划”教授Michael D. Guiver以及韩国汉阳大学教授Young Moo Lee。这种膜的表面带有疏水涂层，而疏水涂层中有很多纳米尺度的裂缝，这些“纳米裂缝”是保持这种聚合物膜水分含量的关键。这种膜可以将燃料电池在干热条件下的效率提高4倍。这种膜，可能对包括电动汽车在内的许多行业的发展产生重大影响。除了燃料电池，他们发明的这种“仙人掌式”膜还可以应用于需要自湿润膜的其它技术，包括水处理和气体分离。

4）纤维拉伸出奇迹：冷拉（cold-drawing）是热塑性纤维制备过程中的一个常见工艺。在聚合物纤维中间放一根脆性的芯，中佛罗里达大学Ayman F. Abouraddy教授课题组发现不同材质的芯会拉断形成长径比固定的均匀短棒。这一发现发表在2016年6月23日的第534卷《Nature》杂志上。他们把脆性材料的细芯放进聚合物的皮层中，制备成了复合材料纤维，然后就这么简单一拉，聚合物纤维中的脆芯断裂成了尺寸一致的短棒。他们在多种材料中都重现了这一奇妙的现象，聚合物包括聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚砜等等热塑性聚合物，而脆芯包括硒化砷玻璃、硅、锗、金、聚苯乙烯等。

(撰稿人: 张加涛)