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第 七 届 化 学 与 材 料 金 砖 论 坛
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化学与材料科学有哪些研究前沿和热点?
发表时间:2017-11-13 15:48

化学与材料科学有哪些研究前沿和热点?

10月31日,中国科学院科技战略咨询研究院、中科院文献情报中心与Clarivate Analytics公司 (原汤森路透知识产权与科技事业部)联合发布全球《2016研究前沿》报告,遴选出自然科学和社会科学10个大学科领域排名最前100个热点前沿和近两年发展迅速的80个新兴前沿。中国表现卓越的研究前沿有30个,在世界各国中位列第二。这30个前沿覆盖8个领域,中国学者在化学、材料科学领域表现优异。

点击此处,下载《2016研究前沿》全文。

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1.2 重点热点前沿——白光LED用荧光

白光发光二极管(白光 LED)作为一种新型的固态照明器件,因其节能、环保、体积小、寿命长、响应快和可平面封装等优点而成为 21 世纪最有前景的新光源,被誉为继白炽灯、荧光灯之后人类照明史上又一次革命。荧光粉光转换法,即在 LED 芯片上涂敷荧光粉,是实现白光 LED 的主流,具体又有两种类型:一种是蓝光 LED 芯片 + 黄色荧光粉,日本日亚化学工业株式会社的中村修二采用此方法在 1996 年制得白光 LED,后荣获 2014 年度诺贝尔物理学奖。另一种是紫外 LED 芯片 + 红绿蓝三基色荧光粉,和紫外 LED芯片 + 单一基质白光荧光粉。目前,基于蓝光 LED 芯片的白光 LED 已经实现商业化,但存在显色指数不高、发光效率低等缺点。使用紫外 LED 芯片激发三基色荧光粉的方案,克服了上述缺点,是当前行业发展的重点。但几种荧光粉混合涂覆工艺会增加制作工艺的难度,不利于降低生产成本。因此,高效的单一基质白光荧光粉近年来受到研究者的关注,成为研究热点。

该热点前沿的 44 篇核心论文无论从研究内容还是从数量分布都体现了上述行业发展趋势。该热点前沿 12 个国家参与了核心论文的产出。中国以 59.1%的比例,占据第 1 名,是第 2 名中国台湾的 2.4 倍(表31)。德国和美国分别位列第 3 和第 4 名。核心论文机构列表中,中国科学院遥遥领先,其次是台湾大学和中国地质大学。

中国于 2011 年发布《国家“十二五”科学和技术发展规划》,提出重点发展白光 LED 制备等自主关键技术。中国的核心论文和施引论文基本都发表在“十二五”时期,不仅在数量上领先,中国学者的研究影响力也很高。中国科学院长春应用化学研究所在化学领域顶级刊物 Chemical Society Reviews 上发表综述文章。华南理工大学的综述文章被引超过 500 次,在核心论文中被引频次最高。

1.3 重点热点前沿——钠离子电池

钠离子电池并非是一种新型的化学电源体系。上世纪七、八十年代,钠离子电池和锂离子电池同时得到研究。由于日本索尼公司在 90 年代初实现锂离子电池的商业化,关于钠离子电池的研究一度放缓。随着电动汽车、智能电网时代的到来,锂离子电池发展受到锂资源短缺的瓶颈制约。与锂相比,钠储量十分丰富,且分布广泛、提取容易。钠和锂的理化性质近似,电池充放电原理也类似,因而钠离子电池的研究被重新提上日程。从 2010 年起,关于钠离子电池的论文数量快速增加。美国和日本均设立专项支持钠离子电池技术的前期探索性研究。与锂离子相比,钠离子相对较重且半径较大,这会限制其在电极材料中的可逆脱嵌过程,进而影响电池的电化学性能。因此,研发先进的电极材料成为钠离子电池实现实际应用的关键之一,也是 4 篇核心论文的研究重点。在实际应用方面,钠离子电池的能量密度通常低于锂离子电池,因此两者适合不同的领域。锂离子电池适合在对能量密度有较高需求的便携式电源设备和电动汽车领域。而钠离子电池适合对能量密度和体积要求不高的大规模储能领域。

统计结果显示(含新兴前沿中的“钠离子电池”),无论是施引论文还是核心论文,该领域的研究主要出自中国、美国、韩国和日本等国家。排名前列的机构包括中国科学院、日本的京都大学、中国的中南大学和韩国科学技术院。中国在该领域的主要研究机构有中国科学院、中南大学、南开大学等。中国科学院物理研究所胡勇胜教授的研究成果是核心论文之一。

2. 新兴前沿及重点新兴前沿解读

2.1 新兴前沿概述

化学与材料科学领域有 22 项研究入选新兴前沿,主要分布在钙钛矿型材料、电池研究、有机化学、纳米材料等方面。在钙钛矿型材料方面,有 5 项研究入选,除了用于太阳能电池外,该材料还被发现在发光材料和光电探测器方面具有应用潜力。在电池研究方面,除了钙钛矿型太阳能电池外,锂氧电池、锂硫电池、钠离子电池、聚合物太阳能电池和染料敏化太阳能电池也是重要研究方向。在有机化学方面,不对称催化和过渡金属催化一直是前沿的研究方向,金属有机框架化合物和柱芳烃的研究也有入选。在纳米材料方面,无论是零维的碳量子点,二维的二氧化锰、过渡金属硫族化合物,还是三维的核壳结构,入选研究均侧重于纳米材料在光、电方面的性能和应用研究。“纳米颗粒的细胞生物学效应”进入前沿,反映了随着纳米材料的迅速发展,其安全性越发引起关注。

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2.2 重点新兴前沿——钙钛矿相 关 6个研究前沿综合分析

钙钛矿型材料相关 6 个研究前沿包括 1 个热点前沿和 5 个新兴前沿。钙钛矿型太阳能电池是第三代太阳能电池中最热门的研究方向,短短几年时间就超过了非晶硅、染料敏化、有机太阳能电池等新一代薄膜电池历经十多年研究的成果,被 Science 评为 2013 年度十大科学突破之一。钙钛矿型太阳能电池的核心是具有钙钛矿ABX 3 晶型的有机金属卤化物吸光材料,其中 A 为甲胺基(CH 3NH3 ),B 为金属铅原子,X 为氯、溴、碘等卤素原子,最常见的是碘化铅甲胺(CH 3 NH 3 PbI 3 )。2009 年,日本桐荫横滨大学 Tsutomu Miyasaka 课题组率先以钙钛矿型材料作吸光层,在染料敏化太阳能电池基础上制造出钙钛矿型太阳能电池,但光电转换效率仅为 3.8%。

2011 年,韩国成均馆大学 Nam-Gyu Park 课题组将效率提高到 6.5%。2012 年,牛津大学Snaith 课题组提出了“介孔超结构太阳能电池”的概念,光电转换效率首次突破 10%。2013 年,瑞士洛桑联邦理工学院 Michael Grätzel 课题组将效率提高到15%。2014 年底,韩国化学技术研究所 Sang II Seok课题组的转换效率已提高至 20.1%。2015 年,中、日、瑞士合作制得大面积(工作面积超过 1cm 2 )钙钛矿型太阳能电池,使其首次可以与其他类型太阳能电池在同一标准下比较性能,15% 的能量转化效率得到国际权威机构认证。2016 年,瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel 教授课题组进一步将认证效率提高至19.6%。这一连串令人眼花缭乱的光电转换效率竞赛反映了瑞士、英国和韩国目前在该领域研究领先的局面,这与核心论文的统计结果是一致的。中国在该领域奋起直追,在核心论文方面争得了一席之地,在施引论文数量上大幅领先,并已经形成了中国科学院、华中科技大学等优秀研发基地。

虽然钙钛矿型太阳能电池发展迅速,但它还存在很大的研究空间。在工作机制方面,彻底弄清钙钛矿型太阳能电池的光电转换机理对于指导下一步的研发至关重要。在材料制备方面,具有大载流子扩散长度的钙钛矿型材料可以降低电荷复合率,产生较高的光电转换效率,因而是未来的发展方向。在稳定性方面,为尽早实现商业化,需要考虑实际自然环境对钙钛矿型太阳能电池的影响。除了上述新兴前沿列出的方向外,还存在其他一些重要的研究方向。例如,不含铅的新型钙钛矿型材料、价格低廉的传输层材料等。

钙钛矿型材料优异的光电性质,使其不仅在太阳能电池领域大放异彩,还被用于其他许多领域。除了新兴前沿所示的发光二极管和光电探测器外、还有燃料电池、激光器和存储器等。从统计数据来看,在 5 个新兴前沿中,中国整体呈现后发追赶态势。在核心论文方面,在“钙钛矿型发光二极管”前沿有 1 篇(通讯作者),在“钙钛矿型太阳能电池光电转换机理研究”前沿有 2 篇(1 篇是通讯作者),在其他 3 个新兴前沿中,中国没有核心论文入选。在施引论文方面,中国全部仅次于美国,处于每个前沿的第二位。


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