这7个化学、材料类案例 被国家自然科学基金委列为四类科学问题属性典型案例

日前，自然科学基金委根据各科学部的资助工作特点，公布列举典型案例83个，其中“鼓励探索、突出原创”案例19个，“聚焦前沿、独辟蹊径”案例21个，“需求牵引、突破瓶颈”案例24个，“共性导向、交叉融通”案例19个。其中化学、材料类案例共7个。

化学科学部

“鼓励探索、突出原创”典型案例

一、项目背景（重要性、必要性）的阐述

硫化学在生命科学、材料科学、天然产物、医药农药、乃至我们日常生活的食品、香精香料中都扮演着举足轻重的作用。2016 年世界排名前 200 名的零售药中，含硫药物就达到 33 个。然而，含硫结构化合物合成领域目前仍存在诸多瓶颈科学问题：

（1）硫的孤对电子的强配位性极易将金属毒化；（2）硫的多氧化态导致反应可控性差；（3）硫的高活性使得体系兼容性低。这些都严重制约着硫化学的发展和应用。

二、项目原创性（从无到有）的阐述

该项目针对以上科学挑战，从共轭效应、电子效应、以及面具张力三个方面考虑，设计稳定易转化且无臭的双边过硫试剂，实现从无到有。把原本毒化金属、挥发恶臭、氧化不兼容的巯基硫源转变成无臭稳定、绿色安全的无机硫盐，同时实现“从无机向有机”多样性功能转化。传统非对称过硫化合物的构建方法，都是从构建 S-S 键出发，这必然需要两个反应物都引入硫原子，大大降低了原子经济性和步骤经济性，同时巯基的起始原料取代会带来一系列兼容与环保问题。虽然我们前期的单边过硫试剂“面具效应”策略为解决以上问题提供了可能性，但还存在以下问题：无法实现“两边”同时灵活改变，构建非对称过硫；无法实现四硫结构的构建（单边过硫最多只能实现三硫结构构建）；无法实现环状、桥状过硫结构的构建；无法对过硫天然产物和药物构建进行更广谱的合成和后修饰衍生。

三、具体阐述该项目符合此属性的理由

1.该项目拟设计合成的新型双边多硫试剂是一个全新的构想，具有鲜明的首创性。

2.该项目拟运用全新的“配体向金属中心传递电子的模型”来实现对硫的活化扰动激发自由基，让硫自由基实现可控阶梯氧化。最终将该绿色高兼容的体系应用于复杂药物、生命大分子的调控性合成与修饰。

3.该项目是该领域独创性的研究工作，课题特色鲜明，是“鼓励探索、突出原创”的典型案例。

“聚焦前沿、独辟蹊径”典型案例

一、该项目所聚焦的前沿问题是什么？

二氧化碳分离属于国际前沿研究课题。二氧化碳是导致全球变暖的主要温室效应气体，现行解决方案是利用有机胺类水溶液对二氧化碳进行分离回收，但该方法耗能巨大；通过发展新型高选择性、高吸附容量的固相材料，实现二氧化碳的高效吸附与分离是当前的科学前沿问题。

二、该项目中独特的解决方案是什么？

多功能耦合共价有机框架材料为二氧化碳的高效分离与转化提供了独特的解决方案。近年来，大量工作致力于发展基于物理吸附原理的多孔材料开展二氧化碳分离的探索研究，材料体系集中在金属有机框架材料，但其配位键的化学本质影响材料在服役条件下的稳定性；

与之相比，共价有机框架材料具有更高的稳定性、结晶性和高比表面积，更加适用于二氧化碳的吸附分离。该课题组在前期已开展了一些原创研究工作，在此基础上本项目拟通过调控初/高次结构进一步提高选择性和吸附容量，通过在材料中引入光催化活性基团，将二氧化碳变成一氧化碳、甲醇、乙醇等化学燃料，发展新型多功能耦合的共价有机框架材料，为二氧化碳吸附分离转化这一前沿科学问题提供独特的解决方案。

三、具体阐述该项目符合此属性的理由

聚焦二氧化碳分离的前沿问题，通过发展多功能耦合共价有机框架材料，为二氧化碳的高效分离与转化提供独特的解决方案。本项目利用拓扑学设计初次及高次结构共价有机框架材料，通过分子设计调控孔形状、孔径尺寸以及孔壁界面，为二氧化碳吸附分离提供材料支撑；通过在骨架引入催化位点进一步将二氧化碳变成一氧化碳、甲醇、乙醇等化学燃料；结合特定场景需求创新过程研究，探索基于模块的固相分离技术。本项目的研究为二氧化碳吸附分离转化这一前沿科学问题提供了独特的解决方案，是“聚焦前沿、独辟蹊径”的典型案例。

“需求牵引、突破瓶颈”典型案例

一、该项目契合国家哪方面需求？

氮氧化物排放控制契合“打好污染防治攻坚战”这一国家重大战略需求。氮氧化物（NO_x）是大气污染物PM2.5和臭氧的重要前体物，是造成严重灰霾天气或臭氧污染天气的重要原因之一。氮 氧化物（NO_x）来源包括机动车尾气、燃煤电厂、工业源（如钢铁、焦化、水泥、玻璃和陶瓷等行业）排放等，且工业源排放是大气NO_x的主要来源。虽然近年来机动车尾气和燃煤电厂NO_x排放已得到较好控制，但是工业源NO_x排放仍未得到有效控制。工业源NO_x排放是导致大气中PM2.5和臭氧浓度居高不下，造成严重灰霾或O₃污染天气，对气候、环境和人类健康造成巨大危害的重要原因之一。因此，有效控制工业源NO_x排放是大气污染控制的重要组成部分，契合“打好污染防治攻坚战”这一国家重大战略需求。

二、该项目可能解决哪方面科学问题、突破哪方面技术瓶颈？

该项目拟突破工业烟气脱硝中 NH₃-SCR 催化剂容易发生 ABS中毒这一技术瓶颈。NH₃ 选择性催化还原 NO_x（SelectiveCatalytic Reduction of NO_x  with NH₃，NH₃-SCR），是一种利用脱硝催化剂（比如 V₂O₅-WO₃/TiO₂）将 NO_x 转为 N₂ 和 H₂O 的技术。NH₃-SCR 因具有环境友好、转化高效等特点被广泛应用。值得注意的是，在工业烟气中，大量的 SO₃ 及 SO₂ 可与 NH₃ 和 H₂O 反应生成硫酸氢铵（ABS）。在低于 ABS 露点的工业烟温下，ABS 粘性较大，覆盖于催化剂表面后容易导致催化剂失活、NH₃-SCR 技术失效。因此，研发低温下高效分解硫酸氢铵的 NH₃-SCR 催化剂可以突破工业烟气脱硝过程中容易发生 ABS 中毒这一关键技术瓶颈。

三、具体阐述该项目符合此属性的理由

工业烟气脱硝契合大气污染控制国家需求，低温 ABS 中毒是工业烟气脱硝的关键技术瓶颈。本项目针对脱硝催化剂（比如V₂O₅-WO₃/TiO₂）在工业烟气中容易中毒这一问题，拟利用Ti-γ-Fe₂O₃ 替代 V₂O₅，降低 SO₂ 氧化活性并提高 NO_x 转化效率，获取有利于控制 ABS 生成的活性组分；利用 Nb⁵⁺或/和 Sb⁵⁺掺杂α-MoO₃，提高 NH₄⁺和 HSO₄^-分离效率，获取有利于低温高效分解ABS 的助剂；利用硫酸化 TiO₂-S，降低 SO₂/SO₃ 吸附并显著提高NH₃ 吸附，获取不利于 ABS 生成的载体。通过活性组分、助剂、载体三管齐下，形成不易发生低温 ABS 中毒的催化剂Ti-γ-Fe₂O₃/Nb(Sb)-MoO₃/TiO₂-S；在此基础上，通过对催化剂分解 ABS、转化 NH₃ 以及它们之间协同效应分析，构建低温分解 ABS的阴阳离子拆分-催化氧化机理和低温 NH₃-SCR 反应机理。催化剂是 NH₃-SCR 核心，ABS 中毒是催化剂失效关键，建立新 ABS 转化机理有助于从本质上克服 ABS 中毒，抗 ABS 中毒新型催化剂合成可以推进 NH₃-SCR 技术在工业烟气脱硝中应用。该项目通过新材料合成和新机理解析，为控制大气污染物 PM2.5 和 O₃  前体物 NO_x排放提供了技术和理论储备，是“需求牵引、突破瓶颈”的典型案例。

“共性导向、交叉融通”典型案例

一、 该项目的共性科学问题是什么？

化学生物学角度的仿生器件制备，细胞生物学角度的胞外物质摄入机制以及药剂学范畴的纳米药物制剂可以共同导向一个基本问题：如何基于细胞的天然代谢属性设计纳米级的仿生药物载供体系，推进机制与效用的并行研究。当前的纳米药物研发和实践中，细胞及亚细胞水平上纳米材料与细胞屏障的相互作用往往并不明晰；纳米材料如何识别细胞、如何进入或影响细胞、如何参与胞内代谢并释放药物的具体机制研究尚浅。蓬勃发展的DNA纳米技术在精确结构组装方面具有独特优势，有望为医学问题的解决提供新工具、新方法。因此，利用DNA纳米技术设计的仿病毒结构体系进行细胞侵染和细胞代谢机制研究，将为新型纳米载药给药体系的开发提供更好的指导。

二、该项目所具有的交叉融通特征是什么？

该项目通过设计合成仿病毒的纳米复合体进行细胞侵染，是DNA纳米技术，化学生物学以及细胞生物学的合理交叉。DNA纳米技术的发展使得纳米尺度的各类结构可以精确设计与合成，通过修饰更可以进一步功能化，这为模拟自然界进化而来的纳米级生命分子复合物结构提供了重要的材料与技术基础。病毒侵染宿主的能力与其结构学特性息息相关，而利用它们的侵染特性实现可控靶向的药物输运是当前重要的研究方向。依据DNA纳米技术在结构设计与定制能力上的显著优势，以模拟病毒形貌作为切入点设计开发两类仿病毒DNA纳米复合体，通过复合体与功能蛋白的整合在穿膜和内吞两种细胞侵染方式上研究其作用机制与侵染效率，分析仿病毒复合体侵染细胞过程中关键的生物物理条件与参数，并建立利用人工仿病毒纳米装置实现针对细胞进行基因转染或药物投递的高效方法，为新型纳米载药体系的开发提供依据。

三、具体阐述所选项目符合此属性的理由

该项目拟依据 DNA 纳米技术在结构设计与定制能力上的显著优势，以模拟病毒形貌作为切入点设计开发两类 DNA 纳米结构为主体的仿病毒纳米复合体。利用 DNA-磷脂膜自组装复合纳米结构模拟天然病毒，构建仿病毒纳米复合体，将 DNA 组装结构的可设计性和纳米尺度精确调控能力与病毒形貌和功能蛋白决定的细胞识别侵染能力相整合，研究其与人工脂膜可控相互作用的方式，探索其侵染细胞的生理生化过程，以期构建细胞靶向的药物投递体系，开发精准高效的人工载药工具。因此，该项目是“共性导向、交叉融通”的典型案例。

工程与材料学部

“鼓励探索、突出原创”典型案例

亚稳相铁基光电催化分解水制氢

各国对氢能的需求越来越大，纷纷制定了燃油车退出的时间表。太阳能光电催化分解水制氢具有重要应用和发展前景。但是，太阳能光电催化分解水应用的瓶颈：缺乏低成本、高效、环境友好、稳定的光电极材料。经典使用的α-Fe₂O₃ 光电极材料，间接带隙半导体，光吸收系数小，空穴迁移率低，因此实验上获得的分解水的性能远低于理论值 12.6 mA cm^-2。能否寻找理论转化效率更高、直接带隙、低成本的光电极材料是迫在眉睫的事情。前期工作发现，亚稳相的β- Fe₂O₃ 太阳能-氢能的理论转化效率 20.9%，高于经典α- Fe₂O₃（15%），证实了β- Fe₂O₃ 是直接带隙半导体材料，同时发现了其在激光加热条件下向α- Fe₂O₃转变的相变行为。另外，亚稳相 h-YFeO₃ 太阳能-氢能的理论转化效率可以达到 21%。因此，如果能够寻找到稳定亚稳相的方法，有望突破传统α- Fe₂O₃ 的限制，提高光电转换至氢的效率。因此，我国学者提出利用元素掺杂提高亚稳相 Fe₂O₃ 的稳定性，同时提高载流子浓度；并构筑电荷传输通道，应用到光解水领域，提升分解水性能。在国际上率先探索亚稳相铁基光电极材料的研究，拓宽人们的视野，推动光电催化分解水制氢的发展。

“聚焦前沿、独辟蹊径”典型案例

电化学脱嵌法的盐湖提锂

锂是重要的战略金属，我国储量居世界第二，我国 80%左右的锂赋存于盐湖卤水，镁锂高却非常难提取。

我国学者将锂离子电池的工作原理应用于从盐湖卤水中选择性提取锂，“反其道而行之”发明了“电化学脱嵌法盐湖提锂”新方法。基于这一独特思路，构筑了“富锂态吸附材料│支持电解质│阴离子膜│卤水│欠锂态吸附材料”的电化学提锂新体系。实现了盐湖卤水中锂的高选择性、低成本、绿色提取和富集。同传统方法相比，新方法处理高镁锂具有优势：1）提高 30～50%锂综合回收率；2）可直接处理原卤、老卤及任意阶段的卤水；3）碳酸锂成本低于 2 万元/吨；4）过程清洁环保；5）提锂装置模块化、智能化。

“需求牵引、突破瓶颈”典型案例

金属基复合材料

金属基复合材料具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐热、耐磨、高导热、低热膨胀等特性，是航空航天、能源、电子信息和交通运输等领域高速发展不可缺少的共性关键材料，其应用广度、生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家材料科技水平的重要标志之一。由于其在关键领域的重要性，基本无法依靠进口，成为制约我国相应领域发展的“卡脖子”问题。

我国学者致力于从以下三个方向自主研发新一代的金属基复合材料，一是，在复合材料设计中引入非均匀的复合构型，通过基体与增强体在空间的合理构型设计与协调耦合效应，从而打破原本耦合在一起的材料性能，实现其性能指标的最优化配置；二是，基于材料基因工程的思想，建立材料成分/结构/性能的共享数据库，通过高通量模拟计算预测有望提高材料性能的因素，优选出材料的成分和合成工艺，从而节省研发时间、降低材料成本；三是，寻求性能更加优异的增强体，将碳纳米管和石墨烯用作纳米增强体，用于高性能金属基复合材料的制备。

我国学者经过对金属基复合材料进行了长期的基础研究后，在金属基复合材料领域取得了可喜的进展。在复合材料性能方面，通过基础研究所开辟的新的思路与方法，以及所发展新的复合制备理念和技术原型，有效打破了金属基复合材料一些性能之间存在的“倒置”关系瓶颈，获得了优异的综合力学与功能特性。在材料和相关制品方面，我国学者以国家需求为牵引，研究开发出了系列的高性能构件，在航天、军事、核能等领域获得广泛的应用，有效提高了我国在相关领域的国际竞争力，有力解决了在我国在金属基复合材料领域的“卡脖子”现象。