研究前沿丨化學與材料科學熱點前沿及重點熱點前沿解讀

2016 年，中國科學院科技戰略咨詢研究院戰略情報研究所，繼續在《2015研究前沿》的基礎上，推出《2016 研究前沿》。報告仍然以文獻計量學中的共被引分析方法為基礎，基于 Clarivate Analytics 的 Essential Science Indicators（ESI）數據庫中的 12 188個研究前沿，遴選出 2016 年自然科學和社會科學的 10個大學科領域排名最前的 100 個熱點前沿和 80 個新興前沿。

本期，小編為您摘編了化學與材料科學的熱點前沿和新興前沿解讀。

在化學與材料科學領域中，位居Top10 的熱點前沿主要分布在納米材料、電池研究、有機化學、發光材料等方面。

其中，發光材料研究“白光LED 用熒光粉”是唯一連續兩年進入Top 10 熱點前沿的研究方向。納米材料方面有石墨烯、納米催化劑和摩擦納米發電機三個方向的研究入選。石墨烯研究的熱點是其在光催化和過濾膜方面的應用。納米催化劑因其尺寸效應而具有卓越的性能，在Top 10 中電催化劑和光催化劑各有一種。摩擦納米發電機是新進前沿。在電池研究方面，有機太陽能電池強調非富勒烯受體的研究，鈉離子電池取代2015 年的鋰離子電池，2015 年的新興前沿“高效鈣鈦礦型太陽能電池”，2016 年成為熱點前沿。貴金屬催化的有機合成一直是有機化學熱點，2015 年是銅催化，2016年是金催化。有機化學另一個熱點是“三氟甲硫基化反應”，與2015 年熱點“烯烴三氟甲基化反應”一脈相承（表1 和圖1）。

表1 ?化學與材料科學領域Top10熱點前沿

圖1 化學與材料科學領域Top10 熱點前沿的施引論文

重點熱點前沿—— 白光LED用熒光粉

白光發光二極管（白光LED）作為一種新型的固態照明器件，因其節能、環保、體積小、壽命長、響應快和可平面封裝等優點而成為21 世紀最有前景的新光源，被譽為繼白熾燈、熒光燈之后人類照明史上又一次革命。熒光粉光轉換法，即在LED 芯片上涂敷熒光粉，是實現白光LED 的主流，具體又有兩種類型：一種是藍光LED 芯片+ 黃色熒光粉，日本日亞化學工業株式會社的中村修二采用此方法在1996 年制得白光LED，之后榮獲2014 年度諾貝爾物理學獎。另一種是紫外LED 芯片+ 紅綠藍三基色熒光粉和紫外LED 芯片+ 單一基質白光熒光粉。目前，基于藍光LED 芯片的白光LED 已經實現商業化，但存在顯色指數不高、發光效率低等缺點。使用紫外LED 芯片激發三基色熒光粉的方案，克服了上述缺點，是當前行業發展的重點。但幾種熒光粉混合涂覆工藝會增加制作工藝的難度，不利于降低生產成本。因此，高效的單一基質白光熒光粉近年來受到研究者的關注，成為研究熱點。

該熱點前沿的44 篇核心論文無論從研究內容還是從數量分布都體現了上述行業發展趨勢。該熱點前沿12 個國家（地區）參與了核心論文的產出。中國大陸以59.1% 的比例居第1 名，是第2 名中國臺灣的2.4 倍（表2）。德國和美國分別位列第3 位和第4 位。核心論文機構列表中，中國科學院遙遙領先，其次是臺灣大學和中國地質大學。

施引論文方面， 中國大陸貢獻了1641篇施引論文，以61.8%的比例位于施引論文的第1 梯隊。韓國以339篇施引論文位居第2位（表3）。美國、日本、印度、中國臺灣和德國貢獻的施引論文介于128 ～ 172篇，屬于第3梯隊。Top 10施引論文機構中，中國大陸和中國臺灣的9 家機構入選，Top 10 的另外一家機構是韓國的釜慶國立大學。其中中國大陸的8家機構，中國科學院貢獻了366 篇施引論文，位列Top 10 機構的榜首。

中國于2011 年發布《國家“十二五”科學和技術發展規劃》，提出重點發展白光LED 制備等自主關鍵技術。中國的核心論文和施引論文基本都發表在“十二五”時期，不僅在數量上領先，中國學者的研究質量也很高。中國科學院長春應用化學研究所在化學領域頂級刊物Chemical Society Reviews上發表綜述文章。華南理工大學的綜述文章被引超過500次，在核心論文中被引頻次最高。

表2 ?“白光LED 用熒光粉”研究前沿中核心論文的Top產出國家（地區）和機構

表3 ?“白光LED 用熒光粉”研究前沿中施引論文的Top10產出國家（地區）和機構

重點熱點前沿——鈉離子電池

鈉離子電池并非是一種新型的化學電源體系。20 世紀七八十年代，鈉離子電池和鋰離子電池同時得到研究。由于日本索尼公司在90 年代初實現鋰離子電池的商業化，關于鈉離子電池的研究一度放緩。隨著電動汽車、智能電網時代的到來，鋰離子電池發展受到鋰資源短缺的瓶頸制約。與鋰相比，鈉儲量十分豐富，且分布廣泛、提取容易。鈉和鋰的理化性質近似，電池充放電原理也類似，因而鈉離子電池的研究被重新提上日程。從2010年起，關于鈉離子電池的論文數量快速增加。美國和日本均設立專項支持鈉離子電池技術的前期探索性研究。與鋰離子相比，鈉離子質量相對較大且半徑較大，這會限制其在電極材料中的可逆脫嵌過程，進而影響電池的電化學性能。因此，研發先進的電極材料成為鈉離子電池實現實際應用的關鍵之一，也是4 篇核心論文的研究重點。在實際應用方面，鈉離子電池的能量密度通常低于鋰離子電池，因此兩者適合不同的領域。鋰離子電池適用于能量密度有較高需求的便攜式電源設備和電動汽車領域。而鈉離子電池適用于能量密度和體積要求不高的大規模儲能領域。

統計結果顯示（含新興前沿中的“鈉離子電池”），無論是施引論文還是核心論文，該領域的研究主要出自中國、美國、韓國和日本等國家（表4）。排名前列的機構包括中國科學院、日本的京都大學、中國的中南大學和韓國科學技術院。中國在該領域的主要研究機構有中國科學院、中南大學、南開大學等。中國科學院物理研究所胡勇勝教授的研究成果是核心論文之一。

表4 ?“鈉離子電池”研究前沿中施引論文的Top10 產出國家和機構

表5 ?化學與材料科學領域的22 個新興前沿

新興前沿及重點新興前沿解讀

化學與材料科學領域有22?項研究入選新興前沿，主要分布在鈣鈦礦型材料、電池研究、有機化學、納米材料等方面（表5）。在鈣鈦礦型材料方面，有5?項研究入選，除了用于太陽能電池外，該材料還被發現在發光材料和光電探測器方面具有應用潛力。在電池研究方面，除了鈣鈦礦型太陽能電池外，鋰氧電池、鋰硫電池、鈉離子電池、聚合物太陽能電池和染料敏化太陽能電池也是重要研究方向。在有機化學方面，不對稱催化和過渡金屬催化一直是前沿的研究方向，金屬有機框架化合物和柱芳烴的研究也有入選。在納米材料方面，無論是零維的碳量子點、二維的二氧化錳、過渡金屬硫族化合物，還是三維的核殼結構，入選研究均側重于納米材料在光、電方面的性能和應用研究。“納米顆粒的細胞生物學效應”進入前沿，反映了隨著納米材料的迅速發展，其安全性越發引起關注。

重點新興前沿—— 鈣鈦礦相關6個研究前沿綜合分析

鈣鈦礦型材料相關6 個研究前沿包括1 個熱點前沿和5 個新興前沿。

鈣鈦礦型太陽能電池是第三代太陽能電池中最熱門的研究方向，短短幾年時間就超過了非晶硅、染料敏化、有機太陽能電池等新一代薄膜電池歷經十多年研究的成果，被Science雜志評為2013年度十大科學突破之一。

鈣鈦礦型太陽能電池的核心是具有鈣鈦礦ABX₃?晶型的有機金屬鹵化物吸光材料，其中A 為甲氨基（CH₃NH—），B?為金屬鉛原子，X?為氯、溴、碘等鹵素原子，最常見的是碘化鉛甲胺（CH₃NH₃PbI₃）。

2009年，日本桐蔭橫濱大學Tsutomu Miyasaka 課題組率先以鈣鈦礦型材料作吸光層，在染料敏化太陽能電池基礎上制造出鈣鈦礦型太陽能電池，但光電轉換效率僅為3.8%。2011年，韓國成均館大學Nam-Gyu Park 課題組將效率提高到6.5%。2012年，牛津大學Snaith 課題組提出了“介孔超結構太陽能電池”的概念，光電轉換效率首次突破10%。2013 年，瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel課題組將效率提高到15%。2014年年底，韓國化學技術研究所Sang II Seok 課題組的轉換效率已提高至20.1%。2015年，中國、日本、瑞士合作制得大面積（工作面積超過1cm²）鈣鈦礦型太陽能電池，使其首次可以與其他類型太陽能電池在同一標準下比較性能，15%的能量轉化效率得到國際權威機構認證。2016年，瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel 教授課題組進一步將認證效率提高至19.6%。

這一連串令人眼花繚亂的光電轉換效率競相反映了瑞士、英國和韓國目前在該領域研究領先的局面，這與核心論文的統計結果是一致的。中國在該領域奮起直追，在核心論文方面爭得了一席之地，在施引論文數量上大幅領先，并已經形成了中國科學院、華中科技大學等優秀研發基地。

雖然鈣鈦礦型太陽能電池發展迅速，但它還存在很大的研究空間。在工作機制方面，徹底弄清鈣鈦礦型太陽能電池的光電轉換機理對于指導下一步的研發至關重要。在材料制備方面，具有大載流子擴散長度的鈣鈦礦型材料可以降低電荷復合率，產生較高的光電轉換效率，因而是未來的發展方向。在穩定性方面，為盡早實現商業化，需要考慮實際自然環境對鈣鈦礦型太陽能電池的影響。除了上述新興前沿列出的方向外，還存在其他一些重要的研究方向，如不含鉛的新型鈣鈦礦型材料、價格低廉的傳輸層材料等。

鈣鈦礦型材料優異的光電性質，使其不僅在太陽能電池領域大放異彩，還被用于其他許多領域。除了新興前沿所示的發光二極管和光電探測器外，還有燃料電池、激光器和存儲器等。

從統計數據來看，在5 個新興前沿中，中國整體呈現后發追趕態勢。在核心論文方面，在“鈣鈦礦型發光二極管”前沿有1篇（通訊作者），在“鈣鈦礦型太陽能電池光電轉換機理研究”前沿有2 篇（1 篇是通訊作者），在其他3 個新興前沿中，中國沒有核心論文入選。在施引論文方面，中國全部僅次于美國，處于每個前沿的第二位。

本文摘編自由中國科學院科技戰略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心、英國科睿唯安著《2016研究前沿及分析解讀》第1、7章，內容有刪減。

《2016研究前沿及分析解讀》以文獻計量學中的共被引分析方法為基礎，基于科睿唯安的Essential Science Indica-tors(ESI) 數據庫中的12188個研究前沿，首先，遙選出2016年自然科學和社會科學的10個大學科領域排名最前的100個熱點前沿和80個新興前沿，重點選擇一些研究前沿進行詳細統計分析和解讀；其次，以高度概括的視角對美國、英國、德國、法國、中國和日本六國在180個前沿的基礎貢獻水平和潛在發展水平進行評估描述；最后，在10個領域分別展開中國和美國在100個熱點前沿和80個新興前沿參與情況的比較分析，以期較為全面地掌握中國與美國這一科技強國的差距與優勢。

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