【前言】

    2016年已然悄然走向尾聲，中國科研人員的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)在國際上越發(fā)顯著。在此辭舊迎新之際，為您精選2016年以來材料領(lǐng)域中，中國學(xué)者發(fā)表在頂級期刊Science上的優(yōu)秀工作。

    下面讓我們來看看這些在國際上展現(xiàn)風(fēng)采的中國科研人員的精彩文章，細(xì)細(xì)品味這些科研成果的美妙之處吧！

    【成果速覽】

    1、廈門大學(xué)：原子級分散鈀催化劑的光化學(xué)合成路線

    圖1  Pd1/TiO2的結(jié)構(gòu)表征

    廈門大學(xué)的鄭南峰（通訊作者）和傅鋼（通訊作者）等人報(bào)道了一種制備在乙烯乙二醇（EG）上的穩(wěn)定原子級分散鈀-鈦氧化物催化劑（Pd1/TiO2），即含鈀多達(dá)1.5%的穩(wěn)定超薄TiO2納米片的光化學(xué)方法。Pd1/TiO2的催化劑對于C = C鍵加氫反應(yīng)具有較高的催化活性，超過商業(yè)鈀催化劑表面鈀原子的9倍。在試驗(yàn)中循環(huán)20個(gè)周期沒有觀察到衰退。更重要的是，Pd1/TiO2-EG系統(tǒng)可以激活H2的異種裂解，導(dǎo)致在醛加氫反應(yīng)中超過55倍的增強(qiáng)。

    文獻(xiàn)鏈接：Photochemical route for synthesizing atomically dispersed palladium catalysts （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf5251）

    2、 北京大學(xué)和量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心：非彈性電子隧穿增強(qiáng)探針探測氫鍵的核量子效應(yīng)

    圖2  實(shí)驗(yàn)布置與軌道柵控

    北京大學(xué)和量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的江穎（通訊作者）、王恩哥（通訊作者）和李新征（通訊作者）等人通過使用基于掃描隧道顯微鏡的探針增強(qiáng)非彈性電子隧道譜，得到了水-鹽界面上形成的單一氫鍵強(qiáng)度的核量子效應(yīng)定量評估。由于非彈性散射截面通過氯終端探針對水的前線軌道進(jìn)行柵控產(chǎn)生共振增強(qiáng)，所以氫鍵強(qiáng)度可以通過水中的氧-氫伸縮頻率的紅移來高精度的確定。同位素取代實(shí)驗(yàn)結(jié)合量子模擬表明，氫原子核的非簡諧量子振動(dòng)會(huì)減弱弱氫鍵和而對相對強(qiáng)的氫鍵加強(qiáng)加強(qiáng)。然而，當(dāng)氫鍵強(qiáng)烈耦合到表面處極性原子位置時(shí)這種趨勢會(huì)完全相反。

    文獻(xiàn)鏈接：Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf2042）

    3、 北京師范大學(xué)和中國科學(xué)院理論物理所：兩個(gè)尺度上的量子臨界性

    圖3  自旋子圖示

    北京師范大學(xué)和中國科學(xué)院理論物理所的郭文安（通訊作者）和波士頓大學(xué)的Anders W. Sandvik（通訊作者）發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象可以通過引入與兩個(gè)不同的尺寸有關(guān)的臨界尺寸來解決。對反鐵磁體和二聚化基態(tài)的量子磁模擬確認(rèn)這一方法的有效性，證明了解禁激發(fā)時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)變，同時(shí)也解釋了在T>0時(shí)的反常標(biāo)度。該研究小組的研究結(jié)果修正了現(xiàn)行的量子臨界性范式，對于許多強(qiáng)相關(guān)材料有著潛在的影響。

    文獻(xiàn)鏈接：Quantum criticality with two length scales （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aad5007）

    4、 北京航天航空大學(xué)：超高功率因數(shù)和熱電性能的空穴摻雜單晶SnSe

    圖4  SnSe的晶體結(jié)構(gòu)

    北京航天航空大學(xué)和美國西北大學(xué)的趙立東（通訊作者）以及美國西北大學(xué)Mercouri G. Kanatzidis（通訊作者）等人通過空穴摻雜硒化錫（SnSe）晶體獲得了破紀(jì)錄的ZTdev，其約1.34，此時(shí)在300K到773K溫度范圍內(nèi)ZT的值在0.7到2之間。超高的功率因數(shù)將會(huì)帶來性能的顯著提升，而SnSe中的多個(gè)電子價(jià)帶導(dǎo)致的高導(dǎo)電性和強(qiáng)烈增強(qiáng)的塞貝克系數(shù)能夠帶來超高的功率因數(shù)。因此，SnSe可以作為是低溫和中溫范圍內(nèi)應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換的穩(wěn)健的熱電材料候選者之一。

    文獻(xiàn)鏈接：Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aad3749）

    5、 中國科學(xué)院物理研究所和量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心：單晶LixFe7Se8中電子安德森局域化

    圖5  Fe7Se8、LixFe7Se8的晶體結(jié)構(gòu)和單晶光學(xué)照片

    中國科學(xué)院物理研究所和量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的陳小龍（通訊作者）等人報(bào)道了厘米級別LixFe7Se8單晶體中由于晶格紊亂引起的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變（MIT）。在低溫下對電子傳輸?shù)臏y量得到的三維變程躍遷（VRH）機(jī)制揭示了費(fèi)米能級處電子態(tài)的局域化屬性。對載流子濃度、遷移率和模擬的能態(tài)密度（DOS）的定量分析完全支持LixFe7Se8是一種安德森絕緣體。未來，這種材料可以作為理論和實(shí)驗(yàn)上研究MIT以及其他無序誘導(dǎo)現(xiàn)象的基石。

    文獻(xiàn)鏈接： Anderson localization of electrons in single crystals: LixFe7Se8 （Science Advances，2016，DOI: 10.1126/sciadv.1501283）

    6、 北京大學(xué)：穩(wěn)定可逆光控電導(dǎo)的共價(jià)鍵和單分子結(jié)

    圖6  可逆型石墨烯-二芳烯-石墨烯橋聯(lián)體結(jié)構(gòu)的單分子光電子開關(guān)工作原理示意圖

    北京大學(xué)郭雪峰（通訊作者）、賓夕法尼亞大學(xué)Abraham Nitzan（通訊作者）和北京大學(xué)徐洪起（通訊作者）等人利用理論模擬預(yù)測和分子工程設(shè)計(jì)的方法在二芳烯功能中心和石墨烯電極之間成功引入關(guān)鍵性的亞甲基基團(tuán)，最終所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測結(jié)果一致，表明新體系成功地實(shí)現(xiàn)了分子和電極間界面耦合作用的優(yōu)化，從而突破性地構(gòu)建了一類可逆型的光誘導(dǎo)和電場誘導(dǎo)的雙模式單分子光電子器件。石墨烯電極穩(wěn)定的碳骨架以及與二芳烯分子形成的牢固的分子/電極間鍵合作用使得這些單分子開關(guān)器件具有空前的開關(guān)精度、穩(wěn)定性和可重復(fù)性，在未來高度集成的信息處理器、分子計(jì)算機(jī)和精準(zhǔn)分子診斷技術(shù)等方面具有巨大的應(yīng)用前景。

    文獻(xiàn)鏈接： Covalently bonded single-molecule junctions with stable and reversible photoswitched conductivity （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf6298）

    7、 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所：合成氣到低碳烯烴的選擇性轉(zhuǎn)化

    圖7  氧化物—多孔沸石（OX-ZEO）中MSAPO的作用

    中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的包信和（通訊作者）和潘秀蓮（通訊作者）等人得到了在一氧化碳（CO）轉(zhuǎn)化率為17%時(shí)低碳烯烴（C2=–C4= ）的選擇性大于80%以及低碳烴類產(chǎn)物（C2–C4）的選擇性達(dá)到94%的結(jié)果。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果是利用一種雙功能催化劑得到的，該催化劑提供了具有互補(bǔ)特性的兩種活性中心。部分還原的氧化物表面（ZnCrOx）激活CO和H2，隨后在密閉的沸石酸性毛孔中操縱C?C耦合。此外，該復(fù)合催化劑和反應(yīng)可能允許使用具有低的H2/CO比的煤和生物質(zhì)衍生的合成氣。

    文獻(xiàn)鏈接：Selective conversion of syngas to light olefins （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf1835）

    8、 吉林大學(xué)：利用羥自由基使沸石加速結(jié)晶

    圖8  298 K時(shí)紫外線照射和黑暗條件下的結(jié)晶過程

    吉林大學(xué)于吉紅（通訊作者）等人揭示了羥自由基參與水熱條件下的沸石結(jié)晶化。沸石的結(jié)晶過程，如Na-A，Na–X，NaZ–21以及silicalite-1，羥基自由基可以顯著加速沸石分子篩的結(jié)晶化。通過紫外照射或Fenton反應(yīng)向沸石分子篩水熱合成體系額外引入羥基自由基，能夠顯著加快沸石分子篩的成核，從而加速其晶化過程。

    文獻(xiàn)鏈接：Accelerated crystallization of zeolites via hydroxyl free radicals （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf1559）

    9、 華東理工大學(xué)&天津大學(xué)：均勻分散的多金屬氧催化劑

    圖9  通過合金化調(diào)節(jié)OER中間體的能量

    華東理工大學(xué)的張波（第一作者）、天津大學(xué)的鄭雪莉（第一作者）以及多倫多大學(xué)的Edward H. Sargent（通訊作者）、斯坦福大學(xué)的Aleksandra Vojvodic （通訊作者）等開發(fā)了一種常溫合成具有原子級均勻的金屬分布的氫氧化物膠體材料。這些膠體FeCoW氫氧化物在堿性電解液中每平方厘米10毫安表現(xiàn)出最低的過電位（191毫伏）的性能。該催化劑在超過500小時(shí)的操作后沒有顯示出退化的跡象。X射線吸收和計(jì)算研究揭示了在制造有利的局域協(xié)調(diào)環(huán)境和增強(qiáng)OER能量學(xué)的電子結(jié)構(gòu)時(shí)鎢、鐵和鈷之間的協(xié)同相互作用。

    文獻(xiàn)鏈接：Homogeneously dispersed multimetal oxygen-evolving catalysts （Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf1525）

    10、清華大學(xué)&量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心：原子級厚度SnTe薄膜面內(nèi)鐵電性的發(fā)現(xiàn)

    圖10 由自發(fā)極化和疇壁調(diào)控誘發(fā)的能帶彎曲

    最近，清華大學(xué)物理系、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的陳曦（通訊作者）和季帥華（通訊作者）等人成功利用分子束外延技術(shù)制備出了高質(zhì)量、原子級厚度的SnTe薄膜，并利用掃描隧道顯微鏡（STM）觀測到鐵電疇、極化電荷引起的能帶彎曲，以及STM針尖誘導(dǎo)的極化翻轉(zhuǎn)，證明了單原胞厚度的SnTe薄膜存在穩(wěn)定的鐵電性。分析表明，量子尺度效應(yīng)引起的能隙增大、高質(zhì)量薄膜中缺陷密度以及載流子濃度的降低，是鐵電增強(qiáng)的重要原因。同時(shí)，薄膜厚度的降低導(dǎo)致面內(nèi)晶格增大在鐵電性增強(qiáng)上起到部分作用。具有面內(nèi)極化方向的SnTe鐵電薄膜在電子器件方面有著潛在的廣泛應(yīng)用前景。

    文獻(xiàn)連接：Discovery of robust in-plane ferroelectricity in atomic-thick SnTe（Science ，2016，DOI: 10.1126/science.aad8609 ）

    11、浙江大學(xué)：雜化多孔材料孔化學(xué)和尺寸控制實(shí)現(xiàn)乙炔乙烯分離

    圖 11 雜化多孔材料和乙炔的中子衍射晶體結(jié)構(gòu)圖

    浙江大學(xué)邢華斌教授（通訊作者）、愛爾蘭利莫瑞克大學(xué)Michael J. Zaworotko教授（通訊作者）和美國德克薩斯大學(xué)陳邦林教授（通訊作者）等人采用離子雜化多孔材料，突破了氣體分離選擇性和容量之間的trade-off效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了乙炔乙烯的高效分離。該材料擁有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格上嵌有的無機(jī)陰離子通過氫鍵作用可專一性的識(shí)別乙炔分子，獲得迄今為止最佳的乙炔乙烯分離選擇性。與此同時(shí)，調(diào)控陰離子的空間幾何分布和孔徑大小，促使被吸附的乙炔分子之間或乙炔-多孔材料之間形成協(xié)同作用，獲得極高的乙炔吸附容量。從而解決了傳統(tǒng)氣體吸附過程分離選擇性和容量難以兼具的巨大挑戰(zhàn)。

    文獻(xiàn)鏈接：Pore chemistry and size control in hybrid porous materials for acetylene capture from ethylene（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf2458）

    12、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)：介觀尺度“組裝與礦化”合成人工貝殼

    圖12 通過模擬生物礦化過程合成人工珍珠層的步驟

    中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏（通訊作者）課題組首次提出一種全新的介觀尺度“組裝與礦化”相結(jié)合的方案，解決了多年來難以通過模擬生物體內(nèi)天然材料生長過程的方法制備人工珍珠層結(jié)構(gòu)材料的問題。通過高度模擬軟體動(dòng)物珍珠層的生長方式和控制過程，俞書宏課題組成功合成了宏觀尺度仿珍珠層塊體材料。不同于以前報(bào)道的仿珍珠層材料或仿生礦化方法得到的微觀晶體，這是首次通過完整模擬天然珍珠層形成過程而獲得的人工仿生結(jié)構(gòu)材料，這種材料具有與天然珍珠層高度相似的化學(xué)組成和跨尺度的有序結(jié)構(gòu)。

    文獻(xiàn)鏈接：Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf8991）

    13、蘇州大學(xué)&北京大學(xué)：雙軸應(yīng)力PtPb/Pt結(jié)構(gòu)增強(qiáng)ORR性能

    圖13 PtPb納米片/ C、PtPb納米顆粒/ C以及商業(yè)化的Pt / C催化劑的ORR電催化性能

    近期，蘇州大學(xué)黃小青（通訊作者）、北京大學(xué)郭少軍（通訊作者）和美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（通訊作者）的Dong Su成功利用化學(xué)法制備出高質(zhì)量單片分散的PtPb納米片。利用球差矯正的高分辨透射電鏡、同步輻射X射線吸收光譜等先進(jìn)表征手段和密度泛函理論計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)4-6層的Pt非常完美地覆蓋在PtPb納米片表面，從而構(gòu)建出獨(dú)特的PtPb/Pt結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，Pt（110）表面較大的拉應(yīng)變能夠很好的地促進(jìn)氧還原反應(yīng)（ORR），這表明基于這一PtPb/Pt結(jié)構(gòu)的催化劑具有非常優(yōu)異的ORR性能。

    文獻(xiàn)鏈接：Biaxially strained PtPb/Pt core/shell nanoplate boosts oxygen reduction catalysis（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah6133）

    【后記】

    2016年即將結(jié)束，新的一年也正踏步而來，中國的學(xué)術(shù)力量正在國際學(xué)術(shù)圈中綻放自己的光彩，那么新的一年也祝福各位讀者能在自己的領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱！

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責(zé)任編輯：王元

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