项目名称限域反应构建晶态氧化物能量转换材料及调控机制

项目名称：限域反应构建晶态氧化物能量转换材料及调控机制提名意见：该项目属于无机材料与化学工程学科交叉领域。晶态氧化物能量转换材料在光电化学能转换及能量存储等领域具有重要应用，关键取决于其原子水平结构及控制。该项目立足于介观限域反应过程，提出特定晶面及其多级结构可控合成策略，揭示并提出光电化学能转换及储能新机制。1、提出从原子尺度精确调控晶态氧化物表面以及本体近程结构，发现独特表面原子排布及其多级结构耦合极大地提升电子传输和表面催化性能。2、提出从原子尺度精确调控“助”材料表面电子结构，发现特定表面原子排布有效促进催化反应中间产物吸脱附过程以及电子传输行为。3、提出基于氧化石墨表面含氧官能团与金属离子强配位限域反应制备金属氧化物/碳的新思路，合成具有优异光电化学转换性能的晶态氧化物/碳表面耦合多级结构。4、发展了界面限域反应控制制备杂化结构复合材料新思路，基于材料结构演化动力学模型构筑了新颖金属氧化物嵌入介孔碳复合多级结构材料。该项目在NatureEnergy和NatureCommun.等期刊发表SCI论文158篇，SCI他引超过15000余次。8篇代表性论文包括NatureCommun.、Adv.Mater.和Angew.Chem.Int.Ed.等期刊，SCI总被他引2434次，6篇论文入选ESI高引论文。国际学术会议主和邀请32次，授权发明专利28项。获得2014年度上海市自然科学一等奖。提名该项目为国家自然科学奖二等奖。项目简介：该项目属于无机材料与化学工程学科交叉领域。晶态氧化物能量转换材料在光电化学能转换及能量存储等领域具有重要应用，关键取决于其原子水平结构设计及控制。介观限域组装可以精确控制材料生长表/界面微区温度和浓度等特征，为材料原子水平结构设计及精准合成提供可能。该项目立足于介观限域反应过程，提出特定晶面及其多级结构可控合成策略，创新性合成性能优异的光化学能转换及能量存储材料新结构，揭示并提出光电化学能转换及储能新机制。1、提出从原子尺度精确调控晶态氧化物表面以及本体近程结构，阐明晶体结构控制生长与微区传递/反应之间的耦合关系，首次可控制备高指及活性晶面主导晶态氧化物材料，发现独特表面原子排布及其多级结构耦合极大地提升电子传输和表面催化性能。2、提出从原子尺度精确调控“助”材料表面电子结构，构建其几何电子结构与催化性能、稳定性之间的构-效关系，合成了整体光电化学性能优异的晶态氧化物材料，发现特定表面原子排布有效促进催化反应中间产物吸脱附过程以及电子传输行为。3、提出基于氧化石墨表面含氧官能团与金属离子强配位限域反应制备金属氧化物/碳的新思路，合成具有优异光电化学转换性能的晶态氧化物/碳表面耦合多级结构，发现该耦合结构可以形成界面电场并促进电子定向迁移。4、发展了界面限域反应控制制备杂化结构复合材料新思路，基于材料结构演化动力学模型构筑了新颖金属氧化物嵌入介孔碳复合多级结构材料，发现界面工程化可以显著增强其电化学性能。该项目在NatureEnergy和NatureCommun.等期刊发表SCI论文158篇，SCI他引超过15000余次。8篇代表性论文包括NatureCommun.、EnergyEnviron.Sci.、Adv.Mater.和Angew.Chem.Int.Ed.等期刊，平均影响因子12.91；SCI总被他引2434次，每篇他引均超过100次，6篇论文入选ESI高引论文。引用期刊包括Chem.Rev.、Acc.Chem.Res.以及Science、Nature、NatureMater.等。美国劳伦斯伯克利国家实验室科学家J.Guo等认为：“（Yang等人）通过表面修饰手段为合成高活性纳米结构TiO2开创了新道路”；德国康斯坦茨大学S.Polarz教授指出：“首次制备热力学上难于形成的{105}晶面氧化钛纳米晶”；新型太阳能电池之父M.Grätzel教授：“这项研究成果将会有益于该研究领域，并且从表面化学的角度来看是漂亮有趣的结果”。日本国立材料研究所Y.Bando教授等人评价：“三维碳基复合多级结构材料不仅可以克服金属氧化物理论上的缺陷，而且能够提高其功率性能”。国际学术会议主题和邀请报告32次，授权发明专利28项。项目组2人入选英国皇家化学会会士，2人获得国家杰出青年科学基金资助。获得2014年度上海市自然科学一等奖。客观评价：该项目在NatureEnergy和NatureCommun.等期刊发表SCI论文158篇，IF大于6.0论文72篇，总被SCI他引超过15000余次。8篇代表性论文包括NatureCommun.、EnergyEnviron.Sci.、Adv.Mater.和Angew.Chem.Int.Ed.等期刊，平均影响因子12.91；SCI总被他引2434次，每篇他引均超过100次；6篇论文入选ESI高引论文，单篇最高SCI他引825次。引用期刊包括Chem.Rev.、Chem.Soc.Rev.、Acc.Chem.Res.以及Science、Nature、NatureMater.等期刊。获得2014年度上海市自然科学一等奖。创新点1晶态氧化物特定晶面可控生长：美国劳伦斯伯克利国家实验室科学家J.Guo在其综述中指出：“（Yang等人）通过表面修饰手段为合成高活性纳米结构TiO2开创了新道路（openupnewpathways）”（Chem.Rev.,2014,114,9662）。德国Konstanz大学S.Polarz教授在其综述论文中评价指出：“Yang等首次（thefirst）制备热力学上难于形成的{105}晶面氧化钛纳米晶”（Adv.Funct.Mater.,2011,21:3214）。加拿大Toronto大学E.H.Sargent教授引用该工作指出：“控制金属氧化物颗粒暴露晶面可改善CQD太阳能电池性能，比如具有丰富高表面能(001)晶面锐钛相氧化钛具有长期稳定优异光催化活性”（Nat.Mater.,2014,13:233）。新加坡南洋理工大学X.W.Lou教授引用限域构建双金属氧化物方面工作时认为：“通过聚合物/表面活性剂辅助方法合成了钴酸镍纳米线，同时表现出高电容和优良的循环稳定性”（EnergyEnviron.Sci.,2012,5:9453）。美国加州福利亚大学R.M.Penner教授引用我们在超细超薄多级结构限域组装方面的工作时指出：“超细超薄结构有利于提高电化学活性”（ACSNano,2011,5:8275）；澳大利亚卧龙岗大学J.H.Kim教授引用我们在(001)晶面主导氧化钛多级结构时指出：“可控制备特定结构对于探索材料形貌与活性之间的本征关联具有非常重要的意义，这其中包含由氧化钛纳米片可控组装的多种结构”（J.Am.Chem.Soc.,2011,133:19314）。创新点2晶态氧化物担载表面电子结构调控：英国伦敦玛丽女王大学SteveDunn教授评价该对电极材料筛选策略时指出：“（Yang等人）利用第一性原理对碘三还原反应速率建模，从而实现了对氧化物对电极材料的理论筛选。”（Adv.Mater.,2016,28:3802.）。中科院邓德会研究员引用该筛选策略验证了其对电极材料的优异性能：“这也与早期的预测一致，最佳的碘原子吸附能是在-0.33至-1.20eV的范围内。”（Angew.Chem.Int.Ed.,2016,55:6707）。新加坡南洋理工大学QihuaXiong教授评述该工作：“对于钴电解质，黄铁矿对电极效率(6.3%)可以与PEDOT(6.3%)媲美。一个理想的对电极可以提供良好的导电性和快电子注入的最优功函数。”（ACSNano2014,10:10597）；清华大学卢瑞涛研究员引用了WO2.9的研究成果时指出：“由于氧空位的存在，WO2.9是比WO3更好的导体，因此WO2.9纳米线可以作为穿过WS2纳米片的电子传导通道，同时也如所报道那样作为HER催化剂。”（Adv.Mater.2016,29:1603617）。新型太阳能电池之父M.Grätzel教授在化学新闻杂志ChemistryWorld亮点评述：“这项研究成果将会有益于该研究领域，并且从表面化学的角度来看是漂亮有趣的结果（nicestudyandinterestingresults），使用铵离子对材料表面进行修饰，材料的湿度敏感性就大大改善，这些都是好消息（allgoodnews）”。由《Nature》杂志编辑评选的2013年度全球科学界十大人物牛津大学H.J.Snaith教授基于该材料制备合成出一种新型单晶介孔TiO2功能材料，降低了界面电子传输损耗，证实了通过构建单晶介孔结构提升材料电荷输运性能的观点（Nature,2013,495:215）。创新点3晶态氧化物表面耦合碳复合材料：捷克Palacky大学R.Zboril教授在其论文中多次图文并茂地引用该研究工作：“介孔二氧化硅被作为纳米反应器用于单分散碳点的限域控制合成”（Chem.Rev.,2015,115:4744）。新加坡南洋理工大学X.D.Chen教授和香港城市大学C.Y.Chung教授等课题组利用该表面限域反应合成方法制备石墨烯表面耦合金属氧化物，并研究其在电催化及锂电池等应用（Small,2014,10:647；Nanoscale,2013,5:6338）；美国KentState大学M.Jaroniec教授详细评述该工作并指出：“复合材料中石墨烯能促进电荷分离并增强光催化活性”（Chem.Soc.Rev.,2012,41:782）；美国特拉华大学B.B.Wei教授详细介绍了该合成方法及原理并指出：“Jiang等合成的高导电碳骨架上负载金属氧化物显著增强了杂化材料快速充放电能力”（Prog.Mater.Sci.,2015,74:51）；日本国立材料研究所Y.Bando教授等也认为：“（Jiang等合成的）三维碳基复合多级结构材料不仅可以克服金属氧化物理论上的缺陷，而且能够提高其功率性能”（Nat.Common.,2013,4:2905）。创新点4金属氧化物嵌入介孔碳多级结构材料：韩国浦项科技大学W.J.Kim教授和德国IFWDresden研究所K.Pinkert教授等多个课题组利用该界面限域合成策略制备了多种金属氧化物/碳复合材料并研究其电化学性能（Angew.Chem.Int.Ed.,2013,52:9187;J.Mater.Chem.A,2013,1:4904）。法国国家科学研究院物理化学和环境微生物学实验室主任Walcarius教授在其综述论文中多次引用该项研究工作并指出：“金属氧化物嵌入介孔碳复合材料应用于超级电容器电极材料时具有明显的协同效应，这将吸引更多的研究者开展这方面的研究”（Chem.Soc.Rev.2013,42:4098）；美国佐治亚理工学院王中林教授指出：“Jiang报道的氧化锰嵌入介孔碳纳米线显著提高了其导电率”（ACSNano,2013,7:2617）。美国特拉华大学B.B.Wei教授详细介绍了该研究提出的合成方法及原理，并指出：“Jiang等合成的高导电碳骨架上负载金属氧化物显著增强了杂化材料快速充放电能力”（Prog.Mater.Sci.,2015,74:51）。南开大学陈军院士在综述论文中多处图文并茂的评价内部具有空隙的杂化电极材料工作，指出：“这种结构克服了脱嵌锂过程中材料结构的破坏，显著提高了材料的循环寿命”（Chem.Soc.Rev.2015,44:699）。代表性论文专著目录：1、AnataseTiO2crystalsexposedwithhighindexfacets/AngewandteChemieInternationalEdition/HaiBoJiang,QianCuan,CiZhangWen,JunXing,DiWu,Xue-QingGong,ChunzhongLi,HuaGuiYang；IF11.949；2011年50卷3764-3768页；2012年03月17日发表；通讯作者：李春忠、杨化桂；第一作者：姜海波；国内作者：姜海波，爨谦，闻次章，刑军，吴迪，龚学庆，李春忠，杨化桂；SCI他引102次；他引总次数126次；论文署名单位不包含国外单位。2、HierarchicalporousNiCo2O4nanowiresforhigh-ratesupercapacitors/ChemicalCommunications/HaoJiang,JanMa,ChunzhongLi(ESIhighlycitedpaper)；IF6.319；2012年48卷4465-4467页；2012年03月19日发表；通讯作者：李春忠；第一作者：江浩；国内作者：江浩，李春忠；SCI他引333次；他引总次数375次；论文署名单位包含国外单位。3、Rationalscreeninglowcostcounterelectrodesfordye-sensitizedsolarcells/NatureCommunications/YuHou,DongWang,XiaohuangYang,WenqiFang,BoZhang,HaifengWang,GuanzhongLu,P.Hu,HuijunZhao,HuaguiYang(ESIhighlycitedpaper)；IF12.124；2013年4卷1583页；2013年03月12日发表；通讯作者：杨化桂，王海峰；第一作者：侯宇，王栋；国内作者：侯宇，王栋，杨晓华，房文祺，张波，王海峰，卢冠忠，胡培君，杨化桂；SCI他引168次；他引总次数191次；论文署名单位包含国外单位。4、Preparationofgraphene–TiO2compositeswithenhancedphotocatalyticactivity/NewJournalofChemistry/KangfuZhou,YihuaZhu,XiaolingYang,XinJiang,ChunzhongLi(ESIhighlycitedpaper)；IF3.269；2011年35卷353-359页；2010年11月25日发表；通讯作者：朱以华；第一作者：周康夫；国内作者：周康夫，朱以华，杨晓玲，蒋忻，李春忠；SCI他引335次；他引总次数390次；论文署名单位不包含国外单位。5、Graphenequantumdots:emergentnanolightsforbioimaging,sensors,catalysisandphotovoltaicdevices/ChemicalCommunications/JianhuaShen,YihuaZhu,XiaolingYang,ChunzhongLi(ESIhighlycitedpaper)；IF6.319；2012年48卷3686-3699页；2012年02月21日发表；通讯作者：朱以华、李春忠；第一作者：沈建华；国内作者：沈建华，朱以华，杨晓玲，李春忠；SCI他引824次；他引总次数970次；论文署名单位不包含国外单位。6、High-rateelectrochemicalcapacitorsfromhighlygraphiticcarbon–tippedmanganeseoxide/mesoporouscarbon/manganeseoxidehybridnanowires/Energy&EnvironmentalScience/HaoJiang,LipingYang,ChunzhongLi,ChaoyiYan,PooiSeeLee,JanMa(ESIhighlycitedpaper)；IF29.518；2011年4卷1813-1819页；2011年03月30日发表；通讯作者：李春忠；第一作者：江浩；国内作者：江浩，李春忠；SCI他引177次；他引总次数209次；论文署名单位包含国外单位。7、Mesoporouscarbonincorporatedmetaloxidesnanomaterialsassupercapacitorelectrodes/AdvancedMaterials/HaoJiang,JanMa,ChunzhongLi；IF19.791；2012年24卷4197–4202页；2012年05月11日发表；通讯作者：马元，李春忠；第一作者：江浩；国内作者：江浩，李春忠；SCI他引289次；他引总次数346次；论文署名单位包含国外单位。8、RationalDesignofMnO/CarbonNanopeapodswithInternalVoidSpaceforHigh-RateandLong-LifeLi-IonBatteries/ACSNano/HaoJiang,YanjieHu,ShaojunGuo,ChaoyiYan,PooiSeeLee,ChunzhongLi(ESIhighlycitedpaper)；IF13.942；2014年8卷6038–6046页；2014年03月14日发表；通讯作者：李春忠，郭少军；第一作者：江浩；国内作者：江浩，胡彦杰，李春忠；SCI他引186次；他引总次数202次；论文署名单位包含国外单位。主要完成人情况：1．姓名：李春忠排名：1行政职务：华东理工大学材料科学与工程学院院长技术职称：教授工作单位：华东理工大学对本项目技术创造性贡献：项目负责人，提出该项目的总体研究方案、总体规划和核心学术思想。将化学工程原理与方法应用于材料制备和组装过程，立足于介观限域反应过程，提出特定晶面及其多级结构可控合成策略，创新性合成性能优异的光化学能转换及能量存储材料新结构，揭示并提出光电化学能转换及储能新机制。对主要发现点1-4均有作出重要贡献，是代表论文1、2、5、6、7、8的通讯作者和4的主要作者。参加本项目工作量占本人总工作量的80%。2．姓名：江浩排名：2行政职务：无技术职称：教授工作单位：华东理工大学对本项目技术创造性贡献：重要发现点1、3和4的主要贡献者之一。发展了界面限域反应控制制备杂化结构复合材料新思路，基于材料结构演化动力学模型构筑了新颖金属氧化物嵌入介孔碳复合多级结构材料，发现界面工程化可以显著增强其电化学性能。代表性论文2、6、7、8的第一作者，参加本项目工作量占本人总工作量的80%。3．姓名：杨化桂排名：3行政职务：无技术职称：教授工作单位：华东理工大学对本项目技术创造性贡献：重要发现点1和2的主要贡献者之一。首次可控制备高指及活性晶面主导晶态氧化物材料，发现特定表面原子排布有效促进催化反应中间产物吸脱附过程以及电子传输行为。代表性论文1和3的通讯作者。代表性论文1的通讯作者，参加本项目工作量占本人总工作量的80%。4．姓名：朱以华排名：4行政职务：无技术职称：教授工作单位：华东理工大学对本项目技术创造性贡献：重要发现点3主要贡献者之一。首次提出表面钝化再还原制备石墨烯量子点的新思路，创新性地制备了石墨烯表面耦合纳米金属氧化物复合材料，提出了材料的形成机理及结构控制方法。代表性论文4、5的通讯作者，参加本项目工作量占本人总工作量的80%。5．姓名：沈建华排名：5行政职务：无技术职称：副研究员工作单位：华东理工大学对本项目技术创造性贡献：重要发现点3的主要贡献者之一。提出基于氧化石墨表面含氧官能团与金属离子强配位限域反应制备金属氧化物/碳的新思路，合成具有优异光电化学转换性能的晶态氧化物/碳表面耦合多级结构。是代表性论文5的第一作者，参加本项目工作量占本人总工作量的80%。完成人合作关系说明：四部分的创新工作均在第一完成人李春忠的指导下完成，所有完成人都属于华东理工大学，在材料科学与工程学院开展的工作。第一创新点（代表论文1，2）在第一完成人李春忠和第三完成人杨化桂合作共同指导下完成；第二创新点（代表论文3）在第三完成人杨化桂和第一完成人李春忠合作下完成；第三创新点（代表论文4、5、6）在第四完成人朱以华和第一完成人李春忠共同合作指导下完成，其中利用表面钝化再还原制备石墨烯量子点，并发现其存在荧光的上转换性能的工作由第五完成人沈建华完成；第四创新点（代表论文7、8）是有第一完成人李春忠和第二完成人江浩等指导下完成。知情同意证明：知情承诺：本人知晓并同意代表性论文为申报2016年度国家自然科学奖的支撑材料，且为本项目独有。项目获奖后，该论文将不得作为今后申报国家自然科学奖支撑材料。