请查收！获中国科技十大进展发表的文章，全部发表在Science和Nature上！

“中国科学十大进展”由中华人民共和国科技部基础研究管理中心等部门组织开展，涵盖自然科学所有领域的重要进展，是我国基础研究传播工作的品牌项目。中国科学十大进展的评选和发布，日益得到科技界和全社会的关注。评选活动的开展为加强科学精神、科学知识和科学方法的普及，增进全社会对我国基础研究工作的关注发挥了积极的促进作用。中国科学十大进展遴选活动由科技部高技术研究发展中心举办，截至2018年2月已举办13届。作为材料人，最想看到的当然是材料方面的内容，令人激动的是，材料领域每次都有两到3个工作获评此殊荣。而且，更重要的是，材料领域近年的工作全部发表在了Science和Nature的主刊上。其中Nature5篇，Science3篇。

【内容速览】

1（戳一戳）☞实现氢气的低温制备和存储

2（戳一戳）☞研发出基于共格纳米析出强化的新一代超高强钢

3（戳一戳）☞研制出将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂

4（戳一戳）☞研制出首个稳定可控的单分子电子开关器件

5（戳一戳）☞研制出碳基高效光解水催化剂

6（戳一戳）☞利用溶液法制备出高性能量子点发光二极管

7（戳一戳）☞合成出具有空前硬度和热稳定性的纳米孪晶金刚石

8（戳一戳）☞利用纳米限域的单铁催化剂实现天然气直接制乙烯

【详细内容】

1、Nature：首次利用Pt/α-MoC催化剂实现低温甲醇/水反应产氢

氢能被誉为下一代清洁能源，但氢气的存储和运输一直以来是阻碍氢能源大规模应用的瓶颈。其中，氢燃料电池是最具有实际应用潜力的新一代能量供给系统，它在稳定液体中原位产生所需氢气，再将化学能高效地转化为电能，为航空航天、汽车等提供动力。但众所周知，氢气的化学性能十分活泼，如何对产生的氢气进行安全高效的存储就是氢燃料电池在应用过程中所面临的关键问题。对于这一点，将氢气存储在甲醇中成为了科研人员所感兴趣的解决途径，甲醇能够和水进行液相重整并原位释放高质量密度(18.8wt%)的氢气。但传统的甲醇蒸汽重整操作需要在相对较高的温度(200-350 ℃)下进行，若要让氢燃料电池更好的在实际生活中应用就需要对甲醇和水的液相产氢反应进行改进，为此需要一种能高效地活化水和甲醇的催化剂。北京大学马丁与中国科学院大学周武、山西煤化所/中科合成油温晓东以及大连理工大学石川研究团队于Nature上在线发表一篇题为“Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts”的文章。该科研团队研制了双功能Pt/MoC甲醇液相重整制氢复合催化剂体系，利用程序升温渗碳工艺将甲烷和氢气同各种前驱体混合在一起，制成多种铂改性的碳化钼催化剂。经过材料的表征分析发现，与β-Mo₂C相比，α-MoC和铂的相互作用更加强烈，使得高温活化过程中铂在α-MoC表面处于一种原子级分散态，产生一个极高密度的电子-缺陷表面Pt位点，且该位点能用于吸附/活化甲醇。同时，α-MoC表现出极高的水解离活性，在反应过程中产生丰富的表面羟基，加速铂与α-MoC界面处反应中间体的重整。在这些因素的共同作用下，最终所制成的Pt/α-MoC催化剂具有平均转化频率(ATOF)为18046 h^-1的催化效率，在低温(150 ℃-190 ℃)无碱甲醇液相重整过程中也具有很好的稳定性，而之前文献报道的高活性Ru基催化剂必须在8M的KOH溶液中才能活化甲醇。另外，研究人员借助第一性原理计算进一步研究Pt/α-MoC催化剂的结构和电子特性以及反应机理。模拟计算结果表明，α-MoC和铂之间确实具有更为强烈的相互作用，并且原子级分散的Pt物种的几何结构最大化了Pt/α-MoC的暴露活性界面，有效提高了反应的活性位点密度。以产氢活性估计，仅需含有6克铂的该催化剂即可使产氢速率达到1 kg_H2/h，基本满足商用车载燃料电池组的需求。以目前甲醇市场价格（2,400元/吨）计算，采用此技术路径储放氢气，氢燃料电池汽车每百公里燃料价格仅需约13元，而加60-80升甲醇可供家用小轿车行驶600-1,000公里。

文章链接：Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts(Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature21672）

2、Nature：最低晶格错配与高密度纳米析出相联手打造超强钢

作为一种先进的超高强韧钢铁材料，马氏体时效钢在航空航天、高速列车、先进核能和清洁能源以及国防领域发挥着关键作用，因而具有重要的应用价值。传统马氏体时效钢的强化机制始终是基于半共格析出的金属间化合物微颗粒的增强作用，由于基体与结构迥异增强相的半共格界面关系，导致颗粒分布不均匀，同时造成严重的共格畸变，从而在材料承载时易萌生裂纹或者局部应变，这极大的限制了材料的韧塑性同时影响材料服役的安全性和可靠性。此外，传统马氏体时效钢含有大量昂贵金属元素，制备过程需要反复精炼等非常严格的控制，这些都严重限制该类超高强钢的应用，成为困扰高端钢铁工业发展的难题。北京科技大学吕昭平教授课题组通过创新超高强度钢的合金设计理念，发展了超强韧的高密度有序Ni(Al,Fe)纳米颗粒强化高性能新型马氏体时效钢，其中抗拉强度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8% 。新型超高强韧钢的强化主要是基于最低错配度下获得最大程度弥散析出和高剪切应力的创新思想，即一方面通过“点阵错配度最小化”，显著降低金属间化合物颗粒析出的形核势垒，促进颗粒均匀弥散分布，并显著提高强化颗粒的体积密度和热稳定性，低错配度共格界面结合小尺度有效缓解增强颗粒周边微观弹性畸变，改善材料宏观均匀塑性变形能力；另一方面，引入“有序效应”作为主要强化机制，有效阻碍位错对增强相颗粒的切过作用，从而获得优异综合性能的新型马氏体时效钢。除此之外，新型超强韧马氏体时效钢通过采用Al元素代替传统马氏体时效钢中昂贵的合金元素，可添加传统马氏体时效钢所避免的C元素，初步实现了高端钢铁材料的制备工艺简化和低成本的目标，不但有力地推动该类材料的实际工程应用，同时为新型超高强度材料的发展打开了新的研究思路。

文章链接：Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22032）

3、Nature：研制出将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂

将二氧化碳在常温常压下电还原为碳氢燃料，是一种潜在的替代化石原料的清洁能源策略，并有助于降低二氧化碳排放对气候造成的不利影响。实现二氧化碳电催化还原的关键瓶颈问题是将二氧化碳活化为CO2·－自由基负离子或其他中间体，这需要异常高的过电位。最近报道显示基于金属氧化物还原得到的金属比通过其他方法制备的金属催化活性要高，但是不清楚金属氧化物如何改变了金属的电催化活性，这主要是因为界面和缺陷等微结构的存在影响了二氧化碳还原的活性。为了评估金属和金属氧化物两种不同催化位点的作用，中国科学技术大学谢毅和孙永福研究组制备了四原子厚的钴金属层和钴金属/氧化钴杂化层。他们发现在低过电位下，相对于块材表面的钴原子，原子级薄层表面的钴原子具有更高的生成甲酸盐的本征活性和选择性。而部分氧化的原子层进一步提高了它们的本征催化活性，在过电位仅为0.24伏下实现了10毫安每平方厘米的电流输出超过40小时，且其甲酸盐选择性接近90%，这超过此前报道的金属或金属氧化物电极在同等条件下得到的结果。

文献链接：Partially oxidized atomic cobalt layers for carbon dioxide electroreduction to liquid fuel（Nature，2016，DOI：10.1038/nature16455）

4、Science：世界首例真实稳定可控的单分子光电子开关器件

构造出性能优异（指的是良好的普适性、稳定性和可重复性）的分子开关的最大挑战是，对开关分子与电极材料之间的界面问题缺乏控制。值得注意的是，前期有了关于利用二芳烯单分子与金（Au）电极设计构造的单向光电子开关（即，闭环态导电，开环态绝缘）报道，其中，二芳烯与金电极之间利用Au-S键联结。Au和S之间的键合作用使得激发态开环分子在金电极上得以出现。在本文之前，课题组已经在单原子碳基（单壁碳纳米管和石墨烯）电极材料的基础上做出了非常优异的成果，设计合成了三种结构改进的二芳烯分子，并构建了单分子光开关器件，但遗憾的是，该研究只实现了从关态到开态的单向光开关功能。基于课题组的前期积累，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组和美国宾夕法尼亚大学Abraham Nitzan教授课题组、北京大学信息科学技术学院徐洪起教授课题组利用理论模拟预测和分子工程设计的方法在二芳烯功能中心和石墨烯电极之间成功引入关键性的亚甲基基团，最终所得实验结果和理论预测结果一致，表明新体系成功地实现了分子和电极间界面耦合作用的优化，从而突破性地构建了一类可逆型的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。石墨烯电极稳定的碳骨架以及与二芳烯分子形成的牢固的分子/电极间键合作用使得这些单分子开关器件具有空前的开关精度、稳定性和可重复性，在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。

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

5、Science：碳基高效光解水催化剂

目前人类生活所消耗的能源主要依赖于储存有限、不可持续的化石燃料，因此，发展可持续的清洁能源具有重要意义。不论是从能源利用还是从环境保护的角度来看，相对于光催化降解有机污染物而言，光催化分解水产氢似乎显得更加有意义。苏州大学康振辉老师课题组2015年发表在Science上的一项工作结合了两种碳材料—碳点和石墨相氮化碳各自的优势，实现了催化反应的“强强联手”。具体点说，他们通过设计合成原料丰富的碳点-石墨相氮化碳(C Dots–C₃N₄)复合催化剂体系，其中C₃N₄主要实现光催化反应(i) 2H₂O → H₂O₂ + H₂，生成的H₂O₂接着在C Dots 上发生快速化学催化反应(ii) 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂，这样，原来的速控步--4电子过程2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e-就变成了反应(i)+(ii)的2电子/2电子两步过程，从而获得了高达2.0%的太阳能转化效率以及循环200天的超高稳定性。

文章链接：Metal-free efficient photocatalyst for stable visible water splitting via a two-electron pathway（Science,2015,DOI:10.1126/science.aaa3145）

6、Nature：量子点发光二极管

由于大面积器件的低成本制造潜力以及与轻质柔性塑料基板的兼容性，溶液加工的光电子和电子器件具有吸引力。 在过去二十年中，使用共轭聚合物或量子点作为发射体的溶液加工发光二极管（LED）引起了极大的兴趣。然而，溶液加工LED的整体性能（包括其效率，开启电压和工作条件下的使用寿命）仍低于最佳真空沉积有机LED的性能。浙江大学高新材料化学中心彭笑刚课题组和金一政课题组设计出一种新型的量子点发光二极管（QLED），制备方法基于低成本、有潜力应用于大规模生产的溶液工艺，其综合性能超越了已知的所有溶液工艺的红光器件，将使用亮度条件下的寿命推进到10万小时的实用水平。这种新型QLED器件有望成为下一代显示和照明技术的有力竞争者。

文章链接：Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots（Nature,2014,DOI：10.1038/nature13829）

7、Nature：纳米孪晶金刚石

尽管金刚石是切削刀具最坚硬的材料，但热稳定性差，限制了它的应用，特别是在高温下。长期以来人们希望同时改善金刚石的硬度和热稳定性。根据Hall-Petch效应，如先前的研究所示，通过纳米结构（通过纳米级微米结构和纳米级微结构）可以增强金刚石的硬度。然而，对于烧结良好的纳米颗粒金刚石，晶粒尺寸在技术上限于10-30nm，与天然金刚石相比热稳定性降低。近来在合成具有低至约3.8nm双层厚度的纳米孪晶立方氮化硼（nt-cBN）方面的成功使得可以同时实现较小的纳米尺寸，超硬度和优异的热稳定性。目前，纳米孪晶金刚石（nt-diamond）尚未通过直接转化各种碳前体（如石墨，无定形碳，玻璃碳和C₆₀）而成功制备。燕山大学田永君教授率领团队在高压和高温下直接合成nt-金刚石，其平均双层厚度为〜5nm，并且观察到与nt-diamond共存的新的单斜晶体形式的金刚石。纯合成块状金刚石材料具有前所未有的硬度和热稳定性，维氏硬度高达200GPa，空气中的氧化温度比天然金刚石高200℃以上， 超过了人造金刚石单晶。

文章链接：Nanotwinned diamond with unprecedented hardness and stability（Nature,2014,DOI:10.1038/nature13381）

8、Science：天然气直接制乙烯

乙烯、PX等石化产品是现代工业最重要的原材料之一，乙烯更是被视为一个国家工业发展水平的重要标志。此前乙烯多由石油裂解获得，而从甲烷制备乙烯的工艺路线，至今仍被视为化学领域的“圣杯”。据悉，中国目前乙烯产量居世界第二，但仍然远远落后于美国，而我国对聚乙烯等下游产品的需求量已经赶超美国，这对中国的能源安全提出了巨大挑战。有了上述新技术，未来我国将可用储量远大于石油的天然气、页岩气高效生产乙烯。中科院大连化学物理研究所包信和院士团队在甲烷高效转化相关研究中获重大的突破。通过嵌入二氧化硅基质中的单铁位点可以使甲烷直接非氧化转化，专门用于乙烯和芳香族化合物。反应由甲基自由基的催化生成开始，随后进行一系列气相反应。邻近铁位点的缺乏防止了催化C-C偶合，进一步低聚以及因此焦炭沉积。在1363K时，甲烷转化率达到最大值48.1％，乙烯选择性达到最高值48.4％，而总烃选择性超过99％。

文章链接：Direct, Nonoxidative Conversion of Methane to Ethylene, Aromatics, and Hydrogen（Science,2014,DOI:10.1126/science.1253150）

本文由材料人Allen供稿，材料牛整理编辑。

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