一门六院士、真正做到桃李满天下！师从钱逸泰院士的五位院士——李亚栋，谢毅，陈仙辉，俞书宏，杨培东

youyoucao 3年前 (2021-10-29) 10108浏览

近日，在钱逸泰院士80岁生日之际，由多名院士联合发表一篇“祝钱逸泰院士生日快乐”在知名期刊《Nano Research》上，文章主要介绍了钱逸泰院士60年来在固态化学、纳米科学领域所取得的重大贡献。

钱逸泰院士曾带过多名学生其中包括中国科学院院士李亚栋、谢毅、陈仙辉、俞书宏，美国国家科学院院士杨培东等，被称为“顶尖科学家的摇篮”，而且同时在科研上继续探索。接下来，本文重点介绍钱逸泰院士、李亚栋院士，谢毅院士，陈仙辉院士，俞书宏院士的近期研究进展。

一、钱逸泰

人物介绍：无机化学家。主要从事主要从事纳米材料化学制备和超导材料制备方面的研究。1997年当选为中国科学院院士。

1. （Advanced Functional Materials）：一种有利于锂氧电池高放电能力和稳定锂金属阳极的可溶性质子添加剂

Li-O₂电池（LOB）因其高理论容量（≈3500 Wh kg^-1）而引起特别关注，而其实际放电容量远低于传统锂离子电池（≈387 Wh kg^-1）。LOB的放电能力差主要是由于缓慢的氧还原反应 (ORR) 动力学。在放电过程中，ORR导致形成电子绝缘和不溶性Li₂O₂产物通过表面机制沉淀在阴极表面，导致孔隙堵塞和电化学反应途径减少，电压下降快，放电容量非常有限。除了正极表面Li₂O₂积累导致电极钝化外，锂金属负极还因与中间体（O^{2 -}，LiO₂）和电解质的高反应活性而遭受严重的不可逆性解决方案。此外，不可控的锂枝晶生长也会显着增加锂负极的不可逆性。

本文首次将罗丹明B (RhB)引入电解质中作为相转移催化剂，实现Li₂O₂的溶液相生成。在电流密度为1000 mA _gcarbon ^-¹时，Li₂O₂的产率为90.79%，放电容量为46 000 mAh_gcarbon^-¹，是空白电解液的23倍。密度泛函理论计算进一步证明了RhB促进溶液相放电的可行性。最值得注意的是，RhB中的自由氯离子有助于在原位形成稳定的锂离子导电固体电解质界面，以保护锂阳极在循环过程中免受腐蚀和树枝晶的形成。因此，Li||Li对称电池在1 mA cm^-²低迟滞电压下表现出高达1300 h的长周期性能。得益于上述结果，RhB型锂氧电池具有较长的循环稳定性。

2. （Chemical Engineering Journal）：用于无枝晶固态锌离子电池的坚固且柔韧的聚合物/MXene衍生的二维TiO₂混合凝胶电解质

由于其高理论容量（820 mAh g^-1）、适当的工作电位（-0.76 V vs E°）、丰富的储量和本质安全的性质，水性锌离子电池（AZIBs）被认为是未来的发电储能系统替代选择之一。然而，严重的枝晶生长和连续副反应等挑战阻碍了AZIBs的实际应用。此外，电解液泄漏的潜在风险是AZIBs在可穿戴储能系统中的另一个障碍。

本文以Ti₃C₂T_x MXene为原料，通过一步水热反应制备了二维TiO₂纳米片。通过调节合成条件，Ti₃C₂T_x MXene的结构和组分易于控制。探讨了TiO₂纳米片含量对PVA基凝胶电解质的影响，通过适当的添加量，可以获得较高的离子电导率和较好的力学性能。结果表明，在0.5 mA cm^-²下，实现了高度稳定的锌电镀/剥离(在0.5 mA cm^-²下超过3000 h)。Zn||PVA-Zn(CF₃SO₃)₂-TiO₂ ||V₂O₅电池显示出高容量（115次循环后为216 mAh g ^-1）和优异的循环性能。本工作为开发高性能的锂/钠/钾/锌柔性储能器件和超级电容器的混合凝胶电解质提供了一条新的途径。

二、李亚栋

人物介绍：无机化学家，主要从事无机纳米材料合成化学研究。2011年当选为中国科学院院士。

1. （Advanced Materials）：通过双原子位点工程协同调节光生载体的分离以提高光催化性能

聚合氮化碳（p-CN）作为一种常见的半导体光催化剂，由于其低成本的前驱体和优异的化学稳定性，在光催化系统中的应用受到了广泛关注。然而，p-CN的应用受到光生载流子分离和转移效率低的限制。为了解决这些问题，许多研究小组采用了多种方法来对体 p-CN进行改性，例如，掺杂异质元素、复合材料的形成以及多组分异质纳米结构的构建，以规避电荷转移的挑战。从而提高光催化性能。然而，高电子空穴复合率和催化位点不足仍然限制了光生电子和空穴的利用，远不能满足商业应用的要求。在这方面，开发新方法以提高 p-CN材料上电子和空穴的分离效率已成为光催化领域的紧迫问题。

本文报道了一种简单的双原子位点策略，由Cu- n₄和C-S-C活性基团装饰在聚合物碳氮化物(Cu SAs/p-CNS)上，同时实现了光生成电子和空穴的高效分离，以提高光催化性能。作为概念的证明，CuSAs/p-CNS成功应用于5-羟甲基糠醛 (HMF)光氧化为2,5-二甲酰基呋喃(DFF)，其HMF转化率为77.1%，DFF选择性为85.6%。其活性明显高于体块p-CN、S掺杂p-CN和p-CN负载Cu单原子催化剂。理论计算和实验结果表明，在光催化反应中，孤立的Cu-N₄位直接捕获光生电子，而周围的S原子携带光生空穴，协同促进光产生的载体的分离，从而提高光催化活性。本研究为在原子水平上合理设计高性能光催化剂提供了新的思路。

2. （Journal of the American Chemical Society）：通过单原子位点催化剂的电子金属-载体相互作用产生高区域选择性

设计和合成特定的金属催化剂以消除反应中的区域选择性并实现将反应原料精确转化为特定空间配置中的有用分子是现代有机合成的主题之一。在过去的100年里，研究人员利用金属和有机配体的电子和空间特性，完成了各种分子的高选择性合成。然而，筛选高选择性均相催化体系的配体通常既复杂又昂贵。此外，配体和催化剂难以分离和回收。为了克服这些限制，研究人员已转向使用多相催化剂。作为均相和多相催化之间的桥梁，最近单原子位点催化剂（SAC）的兴起允许通过多相催化进行高选择性有机合成。

在这项研究中，通过研究各种反应机制，设计并合成了一种具有强电子金属-载体相互作用（EMSI）效应的单原子位点催化剂（SAC），即Cu₁-TiC。通过使用瞬态富电子特性，在反应过程中增强了对金属催化中间体上炔烃的π云回馈。这样，反应就达到了高度线性-E型电子无偏炔烃的区域选择性转化，完全避免了支链异构体的形成（ln:br > 100:1，TON高达612，比以前记录的高3倍）。SAC的结构元件是按照合成机制的要求设计的。催化剂中的每一种元素在合成机理中都发挥了重要作用。这表明，通常被认为是提高多相催化中催化效率和耐久性的原因的EMSI现在首次显示出调节均相催化中区域选择性的令人兴奋的潜力。

三、谢毅

人物介绍：无机化学家，主要从事无机固体化学研究。2013年当选为中国科学院院士。

1. （Journal of the American Chemical Society）：限制在三元氧化物中的不对称三原子位点能够选择性地将 CO 2光热还原为乙酸盐

利用太阳能将CO₂转化为燃料被认为是解决温室效应和化石燃料快速枯竭两个问题的有效策略。然而，由于~750 kJ/mol的高C=O 离解能，CO₂的光催化还原具有挑战性。此外，大多数CO₂光还原系统需要高纯度的CO₂，需要额外的CO₂捕获和浓缩过程。因此，非常需要能够有效地将大气CO₂转化为碳氢化合物的合适的光催化剂。

在此，首先设计了非对称Metal₁ -O-Metal₂三原子位点限制在酚醛石中以促进C-C耦合，并利用光致热增加分子热振动并加速CO₂还原为C₂燃料。使用富氧空位Zn₂GeO₄以纳米带为原型，准原位拉曼光谱揭示Zn-O-Ge三原子位点可能是反应位点。密度泛函理论计算表明，不对称的Zn-O-Ge位点可以通过诱导相邻C₁中间体的不同电荷分布来促进C-C耦合，而产生的O空位可以将决定速率的氢化步骤的能垒从1.46降低到0.67eV。不同测试条件下的催化性能表明光引发了CO₂还原反应。在348 K、0.1 W/cm²光照下的模拟空气气氛中，富含O空位的Zn₂GeO₄纳米带表现出12.7 μmol g^–1 h^–1的醋酸盐输出，66.9%的高醋酸盐选择性，CO₂-CH₃COOH转化率为29.95%，稳定性长达220小时。

2. （Angewandte Chemie International Edition）：Ni/C杂化纳米片上的双纳米岛活化高效肼氧化制氢

通过电化学水分解清洁析氢是追求可持续能源转换技术的各种创新方法的基础，但它在水分解过程中受到缓慢的阳极析氧反应 (OER)的阻碍。肼氧化反应(HzOR)被认为是最有希望的OER替代品之一，以提高析氢反应 (HER) 的效率，然而，设计可将高效 HER 和 HzOR 结合的精密双功能催化剂活动很重要但很少。

本文首先在Ni/C杂化纳米片阵列上构建了新型双纳米岛:一种岛体代表Ni粒子表面裸露的部分，另一种岛体代表核壳 Ni@C结构(简称Ni-cHNSA)的部分，其中暴露的Ni原子和Ni修饰的碳壳分别作为HzOR和HER的活性位点。同时，Ni@C岛中Ni的电子会转移到C层，引起C层周围电子密度的变化，从而加速HER的动力学过程。当电流密度达到10 mA cm^-2时，HER的过电位仅为37 mV, HzOR的工作电位低至-20 mV。双电极电解槽表现出极好的活性，只需要0.2 V的超小电池电压就可以达到50 mA cm ^-2。这一发现无疑为新型双功能电催化剂的设计提供了新的思路，并推动了实用的节能H₂发电技术的发展。

四、陈仙辉

人物介绍：主要从事超导和关联电子体系研究。2015年当选为中国科学院院士。

1. （Nano Letters）：探索 p 型范德华 SnS 上的低功耗和超快忆阻器

二维(2D)材料已在忆阻器器件中得到广泛研究，因为它们可以形成原子级薄的隧道势垒并表现出易于调节的电学特性。通过将2D 材料结合到金属/绝缘体/金属 (MIM)类型的忆阻器件中，与传统的基于金属氧化物的忆阻器相比具有更优越的性能。由于其优异的电气性能，二维忆阻器被认为是最有前途的神经形态计算候选者之一。作为一种受大脑启发的信息处理模型，神经拟态计算已经成为通过模仿人脑的能源效率和多功能性来实现人工智能的重要工具。为了模仿人脑，基于人工突触的忆阻器设备应具有速度快、功耗低、集成度高的特点，并表现出多层次的突触强度，以实现突触学习过程。然而，许多上述理想指标是单独实现的，或者仅与少数其他指标共存。很少有一种材料可以同时拥有所有这些指标。

在这里，展示了一种使用p型SnS作为电阻开关材料的基于灯丝的忆阻器，表现出最高级的指标，例如开关电压~0.2 V、开关速度快于1.5 ns、高耐久开关周期和超大导通/关闭比率为10⁸. 该器件的功耗低至每个开关约100 fJ。基于具有50 nm特征尺寸的32 × 32高密度交叉阵列的忆阻器的芯片级模拟显示，CIFAR-10图像分类的片上学习精度为87.76%（接近理想的软件精度90%）。与n型过渡金属二硫属化物相比，p型SnS的超快和低能量转换归因于阳离子空位和范德华间隙的存在，这降低了Ag离子迁移的激活势垒。

2. （Advanced Materials）：少层状Cr₂Ge₂Te₆铁磁性的操纵

在过去的几十年中，二维材料的研究因其新颖的物理性质和潜在的应用而引起了极大的关注。特别是，最近发现的二维磁性材料为基础研究和未来在电子设备中的应用提供了新的可能性。在2D材料依赖层-磁下降到单层极限已报道在几个-分层值CrI₃。有趣的是，双层 CrI₃的反铁磁有序可以通过静电门控调整为铁磁有序，揭示了二维材料中的磁性可以通过电场有效地调制。单层Fe₃GeTe ₂也已被证明具有居里温度( T_c )为20 K的固有二维铁磁性。一种类似的化合物，Cr₂Ge₂Te₆ (CGT)，对外部磁场表现出高度敏感的、与厚度相关的铁磁转变。使用传统的场晶体管效应，在少层CGT中观察到双极可调磁化回路。然而，由于在这种类型的设备中样品可获得的载流子密度有限，其T_c几乎保持不变。最近，在双电层(EDL)晶体管器件中报道了具有CGT面内易轴的增强铁磁性。然而，有效电荷层计算为1nm，这意味着增强的铁磁状态几乎仅限于CGT的最顶层。因此，随着载流子密度变化的少层CGT磁序的更一般的演变在很大程度上仍未被探索。

在这项工作中，使用具有固体离子导体的场效应晶体管作为栅极电介质(SIC-FET)，观察到与少层Cr₂Ge₂Te ₆中的易磁轴切换相关的铁磁性显着增强。从各向异性磁阻推断出的易磁化轴可以通过电场在少层Cr₂Ge₂Te₆中从面外方向均匀地调整到面内方向. 此外，从霍尔电阻和磁阻测量中获得的居里温度通过电门控在少层样品中从65 K增加到180 K。此外，样品表面在SIC-FET器件配置中完全暴露，使进一步的异质结构工程成为可能。这项工作为在单个设备中实现电控量子现象提供了一个极好的平台。

五、俞书宏

人物介绍：无机化学家，主要从事无机合成化学、仿生材料的设计合成与应用研究。2019年当选为中国科学院院士。

1. （Nano Letters）：多色透明电致变色器件的纳米线组装

电致变色材料因其在智能窗户、显示器、自动调光镜、军用伪装等领域的潜在应用而引起了极大的科学和技术兴趣。在丰富的无机电致变色材料中，氧化钨 (WO_{3– x} )为Deb于1969年首次研究的电致变色材料，由于其高透光率对比度和对高温和强光的优异循环稳定性，已被提议作为智能窗户的最合适的候选者。虽然WO_{3– x}的颜色调整非常简单，但可能会阻碍其实际应用。然而，由于缺乏合适的组装策略或电致变色材料，关于制备基于WO_{3- x}和其他无机电致变色材料混合物的多色电致变色的报道很少。

在这里，通过使用基于溶液的Langmuir-Blodgett技术共组装W₁₈O₄₉和V₂O₅纳米线来展示一种新型多色电致变色装置。随着V₂O₅添加量的增加，透明的W₁₈O₄₉纳米线薄膜变成橙色纳米线和薄膜在应用 2，0和-0.5 V（相对于Ag/AgCl）的不同电化学偏置时发生动态颜色变化（橙色、绿色和灰色）。通过操纵共组装的纳米线层和两条纳米线之间的比率，可以轻松控制器件的透射率和颜色。在这种方法的基础上，可以通过添加相应的掩模轻松制作不同的图案，并组装固体电致变色器件，表明其在智能窗户和多色电致变色显示器方面具有巨大潜力。

2. （Nano Letters）：具有用于塑料替代品的高密度可逆相互作用网络的植物纤维素纳米纤维衍生结构材料

今天，一个没有塑料的世界似乎是不可想象的，但塑料确实有其阴暗面。大多数广泛使用的石化塑料都是不可生物降解的，因此它们最终可能会进入土壤、河流和海洋。因此，石化塑料将对环境造成近乎永久性的破坏，并可能威胁人类健康。为了解决这一复杂的环境问题，从可再生资源中开发可持续聚合物是一种可能的选择。在过去的几十年里，人们做出了许多努力来替代化石原材料的可再生替代品，并为适合生物降解的塑料开发报废选择。然而，开发合适的石化塑料替代品绝非易事，尤其是用作结构材料的那些，因为满足有利的经济性和材料特性（例如机械强度、热稳定性、和可加工性），预计将优于传统的石化塑料。

在此，报告了一种可生物降解的植物纤维素纳米纤维(CNF)衍生的聚合物结构材料，其纳米纤维之间具有高密度可逆相互作用网络，其机械和热性能优于现有的石化塑料。与现有的石化塑料相比，这种全绿色材料的弯曲强度(~300 MPa)和模量(~16 GPa)显着提高。其平均热膨胀系数仅为7 × 10^–6 K^–1，比石化塑料低10倍以上，说明其尺寸在加热时几乎不变，因此具有优于塑料的热尺寸稳定性。作为一种完全生物衍生和可降解的材料，全绿色材料为石化塑料提供了一种更可持续的高性能替代品。