一門六院士、真正做到桃李滿天下！師從錢逸泰院士的五位院士——李亞棟，謝毅，陳仙輝，俞書宏，楊培東

youyoucao 2年前 (2021-10-29) 6178瀏覽

近日，在錢逸泰院士80歲生日之際，由多名院士聯合發表一篇“祝錢逸泰院士生日快樂”在知名期刊《Nano Research》上，文章主要介紹了錢逸泰院士60年來在固態化學、納米科學領域所取得的重大貢獻。

錢逸泰院士曾帶過多名學生其中包括中國科學院院士李亞棟、謝毅、陳仙輝、俞書宏，美國國家科學院院士楊培東等，被稱為“頂尖科學家的搖籃”，而且同時在科研上繼續探索。接下來，本文重點介紹錢逸泰院士、李亞棟院士，謝毅院士，陳仙輝院士，俞書宏院士的近期研究進展。

一、錢逸泰

人物介紹：無機化學家。主要從事主要從事納米材料化學制備和超導材料制備方面的研究。1997年當選為中國科學院院士。

1. （Advanced Functional Materials）：一種有利于鋰氧電池高放電能力和穩定鋰金屬陽極的可溶性質子添加劑

Li-O₂電池（LOB）因其高理論容量（≈3500 Wh kg^?-1）而引起特別關注，而其實際放電容量遠低于傳統鋰離子電池（≈387 Wh kg^-1）。LOB的放電能力差主要是由于緩慢的氧還原反應 (ORR) 動力學。在放電過程中，ORR導致形成電子絕緣和不溶性Li₂O₂產物通過表面機制沉淀在陰極表面，導致孔隙堵塞和電化學反應途徑減少，電壓下降快，放電容量非常有限。除了正極表面Li₂O₂積累導致電極鈍化外，鋰金屬負極還因與中間體（O^{2 -}，LiO₂）和電解質的高反應活性而遭受嚴重的不可逆性解決方案。此外，不可控的鋰枝晶生長也會顯著增加鋰負極的不可逆性。

本文首次將羅丹明B (RhB)引入電解質中作為相轉移催化劑，實現Li₂O₂的溶液相生成。在電流密度為1000 mA _gcarbon?^-¹時，Li₂O₂的產率為90.79%，放電容量為46 000 mAh_?gcarbon^?^-¹，是空白電解液的23倍。密度泛函理論計算進一步證明了RhB促進溶液相放電的可行性。最值得注意的是，RhB中的自由氯離子有助于在原位形成穩定的鋰離子導電固體電解質界面，以保護鋰陽極在循環過程中免受腐蝕和樹枝晶的形成。因此，Li||Li對稱電池在1 mA cm^-²低遲滯電壓下表現出高達1300 h的長周期性能。得益于上述結果，RhB型鋰氧電池具有較長的循環穩定性。

2. （Chemical Engineering Journal）：用于無枝晶固態鋅離子電池的堅固且柔韌的聚合物/MXene衍生的二維TiO₂混合凝膠電解質

由于其高理論容量（820 mAh g^-1）、適當的工作電位（-0.76 V vs E°）、豐富的儲量和本質安全的性質，水性鋅離子電池（AZIBs）被認為是未來的發電儲能系統替代選擇之一。然而，嚴重的枝晶生長和連續副反應等挑戰阻礙了AZIBs的實際應用。此外，電解液泄漏的潛在風險是AZIBs在可穿戴儲能系統中的另一個障礙。

本文以Ti₃C₂T_x?MXene為原料，通過一步水熱反應制備了二維TiO₂納米片。通過調節合成條件，Ti₃C₂T_x?MXene的結構和組分易于控制。探討了TiO₂納米片含量對PVA基凝膠電解質的影響，通過適當的添加量，可以獲得較高的離子電導率和較好的力學性能。結果表明，在0.5 mA cm^-²下，實現了高度穩定的鋅電鍍/剝離(在0.5 mA cm^-²下超過3000 h)。Zn||PVA-Zn(CF₃SO₃)₂-TiO₂?||V₂O₅電池顯示出高容量（115次循環后為216 mAh g ^-1）和優異的循環性能。本工作為開發高性能的鋰/鈉/鉀/鋅柔性儲能器件和超級電容器的混合凝膠電解質提供了一條新的途徑。

二、李亞棟

人物介紹：無機化學家，主要從事無機納米材料合成化學研究。2011年當選為中國科學院院士。

1. （Advanced Materials）：通過雙原子位點工程協同調節光生載體的分離以提高光催化性能

聚合氮化碳（p-CN）作為一種常見的半導體光催化劑，由于其低成本的前驅體和優異的化學穩定性，在光催化系統中的應用受到了廣泛關注。然而，p-CN的應用受到光生載流子分離和轉移效率低的限制。為了解決這些問題，許多研究小組采用了多種方法來對體 p-CN進行改性，例如，摻雜異質元素、復合材料的形成以及多組分異質納米結構的構建，以規避電荷轉移的挑戰。從而提高光催化性能。然而，高電子空穴復合率和催化位點不足仍然限制了光生電子和空穴的利用，遠不能滿足商業應用的要求。在這方面，開發新方法以提高 p-CN材料上電子和空穴的分離效率已成為光催化領域的緊迫問題。

本文報道了一種簡單的雙原子位點策略，由Cu- n₄和C-S-C活性基團裝飾在聚合物碳氮化物(Cu SAs/p-CNS)上，同時實現了光生成電子和空穴的高效分離，以提高光催化性能。作為概念的證明，CuSAs/p-CNS成功應用于5-羥甲基糠醛 (HMF)光氧化為2,5-二甲酰基呋喃(DFF)，其HMF轉化率為77.1%，DFF選擇性為85.6%。其活性明顯高于體塊p-CN、S摻雜p-CN和p-CN負載Cu單原子催化劑。理論計算和實驗結果表明，在光催化反應中，孤立的Cu-N₄位直接捕獲光生電子，而周圍的S原子攜帶光生空穴，協同促進光產生的載體的分離，從而提高光催化活性。本研究為在原子水平上合理設計高性能光催化劑提供了新的思路。

2. （Journal of the American Chemical Society）：通過單原子位點催化劑的電子金屬-載體相互作用產生高區域選擇性

設計和合成特定的金屬催化劑以消除反應中的區域選擇性并實現將反應原料精確轉化為特定空間配置中的有用分子是現代有機合成的主題之一。在過去的100年里，研究人員利用金屬和有機配體的電子和空間特性，完成了各種分子的高選擇性合成。然而，篩選高選擇性均相催化體系的配體通常既復雜又昂貴。此外，配體和催化劑難以分離和回收。為了克服這些限制，研究人員已轉向使用多相催化劑。作為均相和多相催化之間的橋梁，最近單原子位點催化劑（SAC）的興起允許通過多相催化進行高選擇性有機合成。

在這項研究中，通過研究各種反應機制，設計并合成了一種具有強電子金屬-載體相互作用（EMSI）效應的單原子位點催化劑（SAC），即Cu₁-TiC。通過使用瞬態富電子特性，在反應過程中增強了對金屬催化中間體上炔烴的π云回饋。這樣，反應就達到了高度線性-E型電子無偏炔烴的區域選擇性轉化，完全避免了支鏈異構體的形成（ln:br > 100:1，TON高達612，比以前記錄的高3倍）。SAC的結構元件是按照合成機制的要求設計的。催化劑中的每一種元素在合成機理中都發揮了重要作用。這表明，通常被認為是提高多相催化中催化效率和耐久性的原因的EMSI現在首次顯示出調節均相催化中區域選擇性的令人興奮的潛力。

三、謝毅

人物介紹：無機化學家，主要從事無機固體化學研究。2013年當選為中國科學院院士。

1. （Journal of the American Chemical Society）：限制在三元氧化物中的不對稱三原子位點能夠選擇性地將 CO 2光熱還原為乙酸鹽

利用太陽能將CO₂轉化為燃料被認為是解決溫室效應和化石燃料快速枯竭兩個問題的有效策略。然而，由于~750 kJ/mol的高C=O 離解能，CO₂的光催化還原具有挑戰性。此外，大多數CO₂光還原系統需要高純度的CO₂，需要額外的CO₂捕獲和濃縮過程。因此，非常需要能夠有效地將大氣CO₂轉化為碳氫化合物的合適的光催化劑。

在此，首先設計了非對稱Metal₁?-O-Metal₂三原子位點限制在酚醛石中以促進C-C耦合，并利用光致熱增加分子熱振動并加速CO₂還原為C₂燃料。使用富氧空位Zn₂GeO₄以納米帶為原型，準原位拉曼光譜揭示Zn-O-Ge三原子位點可能是反應位點。密度泛函理論計算表明，不對稱的Zn-O-Ge位點可以通過誘導相鄰C₁中間體的不同電荷分布來促進C-C耦合，而產生的O空位可以將決定速率的氫化步驟的能壘從1.46降低到0.67eV。不同測試條件下的催化性能表明光引發了CO₂還原反應。在348 K、0.1 W/cm²光照下的模擬空氣氣氛中，富含O空位的Zn₂GeO₄納米帶表現出12.7 μmol g^?–1?h^–1的醋酸鹽輸出，66.9%的高醋酸鹽選擇性，CO₂-CH₃COOH轉化率為29.95%，穩定性長達220小時。

2. （Angewandte Chemie International Edition）：Ni/C雜化納米片上的雙納米島活化高效肼氧化制氫

通過電化學水分解清潔析氫是追求可持續能源轉換技術的各種創新方法的基礎，但它在水分解過程中受到緩慢的陽極析氧反應 (OER)的阻礙。肼氧化反應(HzOR)被認為是最有希望的OER替代品之一，以提高析氫反應 (HER) 的效率，然而，設計可將高效 HER 和 HzOR 結合的精密雙功能催化劑活動很重要但很少。

本文首先在Ni/C雜化納米片陣列上構建了新型雙納米島:一種島體代表Ni粒子表面裸露的部分，另一種島體代表核殼 Ni@C結構(簡稱Ni-cHNSA)的部分，其中暴露的Ni原子和Ni修飾的碳殼分別作為HzOR和HER的活性位點。同時，Ni@C島中Ni的電子會轉移到C層，引起C層周圍電子密度的變化，從而加速HER的動力學過程。當電流密度達到10 mA cm^-2時，HER的過電位僅為37 mV, HzOR的工作電位低至-20 mV。雙電極電解槽表現出極好的活性，只需要0.2 V的超小電池電壓就可以達到50 mA cm ^-2。這一發現無疑為新型雙功能電催化劑的設計提供了新的思路，并推動了實用的節能H₂發電技術的發展。

四、陳仙輝

人物介紹：主要從事超導和關聯電子體系研究。2015年當選為中國科學院院士。

1. （Nano Letters）：探索 p 型范德華 SnS 上的低功耗和超快憶阻器

二維(2D)材料已在憶阻器器件中得到廣泛研究，因為它們可以形成原子級薄的隧道勢壘并表現出易于調節的電學特性。通過將2D 材料結合到金屬/絕緣體/金屬 (MIM)類型的憶阻器件中，與傳統的基于金屬氧化物的憶阻器相比具有更優越的性能。由于其優異的電氣性能，二維憶阻器被認為是最有前途的神經形態計算候選者之一。作為一種受大腦啟發的信息處理模型，神經擬態計算已經成為通過模仿人腦的能源效率和多功能性來實現人工智能的重要工具。為了模仿人腦，基于人工突觸的憶阻器設備應具有速度快、功耗低、集成度高的特點，并表現出多層次的突觸強度，以實現突觸學習過程。然而，許多上述理想指標是單獨實現的，或者僅與少數其他指標共存。很少有一種材料可以同時擁有所有這些指標。

在這里，展示了一種使用p型SnS作為電阻開關材料的基于燈絲的憶阻器，表現出最高級的指標，例如開關電壓~0.2 V、開關速度快于1.5 ns、高耐久開關周期和超大導通/關閉比率為10⁸. 該器件的功耗低至每個開關約100 fJ。基于具有50 nm特征尺寸的32 × 32高密度交叉陣列的憶阻器的芯片級模擬顯示，CIFAR-10圖像分類的片上學習精度為87.76%（接近理想的軟件精度90%）。與n型過渡金屬二硫屬化物相比，p型SnS的超快和低能量轉換歸因于陽離子空位和范德華間隙的存在，這降低了Ag離子遷移的激活勢壘。

2. （Advanced Materials）：少層狀Cr₂Ge₂Te₆鐵磁性的操縱

在過去的幾十年中，二維材料的研究因其新穎的物理性質和潛在的應用而引起了極大的關注。特別是，最近發現的二維磁性材料為基礎研究和未來在電子設備中的應用提供了新的可能性。在2D材料依賴層-磁下降到單層極限已報道在幾個-分層值CrI₃。有趣的是，雙層 CrI₃的反鐵磁有序可以通過靜電門控調整為鐵磁有序，揭示了二維材料中的磁性可以通過電場有效地調制。單層Fe₃GeTe ₂也已被證明具有居里溫度( T_c?)為20 K的固有二維鐵磁性。一種類似的化合物，Cr₂Ge₂Te₆?(CGT)，對外部磁場表現出高度敏感的、與厚度相關的鐵磁轉變。使用傳統的場晶體管效應，在少層CGT中觀察到雙極可調磁化回路。然而，由于在這種類型的設備中樣品可獲得的載流子密度有限，其T_c幾乎保持不變。最近，在雙電層(EDL)晶體管器件中報道了具有CGT面內易軸的增強鐵磁性。然而，有效電荷層計算為1nm，這意味著增強的鐵磁狀態幾乎僅限于CGT的最頂層。因此，隨著載流子密度變化的少層CGT磁序的更一般的演變在很大程度上仍未被探索。

在這項工作中，使用具有固體離子導體的場效應晶體管作為柵極電介質(SIC-FET)，觀察到與少層Cr₂Ge₂Te ₆中的易磁軸切換相關的鐵磁性顯著增強。從各向異性磁阻推斷出的易磁化軸可以通過電場在少層Cr₂Ge₂Te₆中從面外方向均勻地調整到面內方向. 此外，從霍爾電阻和磁阻測量中獲得的居里溫度通過電門控在少層樣品中從65 K增加到180 K。此外，樣品表面在SIC-FET器件配置中完全暴露，使進一步的異質結構工程成為可能。這項工作為在單個設備中實現電控量子現象提供了一個極好的平臺。

五、俞書宏

人物介紹：無機化學家，主要從事無機合成化學、仿生材料的設計合成與應用研究。2019年當選為中國科學院院士。

1. （Nano Letters）：多色透明電致變色器件的納米線組裝

電致變色材料因其在智能窗戶、顯示器、自動調光鏡、軍用偽裝等領域的潛在應用而引起了極大的科學和技術興趣。在豐富的無機電致變色材料中，氧化鎢 (WO_{3– x}?)為Deb于1969年首次研究的電致變色材料，由于其高透光率對比度和對高溫和強光的優異循環穩定性，已被提議作為智能窗戶的最合適的候選者。雖然WO_{3– x}的顏色調整非常簡單，但可能會阻礙其實際應用。然而，由于缺乏合適的組裝策略或電致變色材料，關于制備基于WO_{3- x}和其他無機電致變色材料混合物的多色電致變色的報道很少。

在這里，通過使用基于溶液的Langmuir-Blodgett技術共組裝W₁₈O₄₉和V₂O₅納米線來展示一種新型多色電致變色裝置。隨著V₂O₅添加量的增加，透明的W₁₈O₄₉納米線薄膜變成橙色納米線和薄膜在應用 2，0和-0.5 V（相對于Ag/AgCl）的不同電化學偏置時發生動態顏色變化（橙色、綠色和灰色）。通過操縱共組裝的納米線層和兩條納米線之間的比率，可以輕松控制器件的透射率和顏色。在這種方法的基礎上，可以通過添加相應的掩模輕松制作不同的圖案，并組裝固體電致變色器件，表明其在智能窗戶和多色電致變色顯示器方面具有巨大潛力。

2. （Nano Letters）：具有用于塑料替代品的高密度可逆相互作用網絡的植物纖維素納米纖維衍生結構材料

今天，一個沒有塑料的世界似乎是不可想象的，但塑料確實有其陰暗面。大多數廣泛使用的石化塑料都是不可生物降解的，因此它們最終可能會進入土壤、河流和海洋。因此，石化塑料將對環境造成近乎永久性的破壞，并可能威脅人類健康。為了解決這一復雜的環境問題，從可再生資源中開發可持續聚合物是一種可能的選擇。在過去的幾十年里，人們做出了許多努力來替代化石原材料的可再生替代品，并為適合生物降解的塑料開發報廢選擇。然而，開發合適的石化塑料替代品絕非易事，尤其是用作結構材料的那些，因為滿足有利的經濟性和材料特性（例如機械強度、熱穩定性、和可加工性），預計將優于傳統的石化塑料。

在此，報告了一種可生物降解的植物纖維素納米纖維(CNF)衍生的聚合物結構材料，其納米纖維之間具有高密度可逆相互作用網絡，其機械和熱性能優于現有的石化塑料。與現有的石化塑料相比，這種全綠色材料的彎曲強度(~300 MPa)和模量(~16 GPa)顯著提高。其平均熱膨脹系數僅為7 × 10^?–6?K^–1，比石化塑料低10倍以上，說明其尺寸在加熱時幾乎不變，因此具有優于塑料的熱尺寸穩定性。作為一種完全生物衍生和可降解的材料，全綠色材料為石化塑料提供了一種更可持續的高性能替代品。