請查收！獲中國科技十大進展發表的文章，全部發表在Science和Nature上！

“中國科學十大進展”由中華人民共和國科技部基礎研究管理中心等部門組織開展，涵蓋自然科學所有領域的重要進展，是我國基礎研究傳播工作的品牌項目。中國科學十大進展的評選和發布，日益得到科技界和全社會的關注。評選活動的開展為加強科學精神、科學知識和科學方法的普及，增進全社會對我國基礎研究工作的關注發揮了積極的促進作用。中國科學十大進展遴選活動由科技部高技術研究發展中心舉辦，截至2018年2月已舉辦13屆。作為材料人，最想看到的當然是材料方面的內容，令人激動的是，材料領域每次都有兩到3個工作獲評此殊榮。而且，更重要的是，材料領域近年的工作全部發表在了Science和Nature的主刊上。其中Nature5篇，Science3篇。

【內容速覽】

1（戳一戳）?實現氫氣的低溫制備和存儲

2（戳一戳）?研發出基于共格納米析出強化的新一代超高強鋼

3（戳一戳）?研制出將二氧化碳高效清潔轉化為液體燃料的新型鈷基電催化劑

4（戳一戳）?研制出首個穩定可控的單分子電子開關器件

5（戳一戳）?研制出碳基高效光解水催化劑

6（戳一戳）?利用溶液法制備出高性能量子點發光二極管

7（戳一戳）?合成出具有空前硬度和熱穩定性的納米孿晶金剛石

8（戳一戳）?利用納米限域的單鐵催化劑實現天然氣直接制乙烯

【詳細內容】

1、Nature：首次利用Pt/α-MoC催化劑實現低溫甲醇/水反應產氫

氫能被譽為下一代清潔能源，但氫氣的存儲和運輸一直以來是阻礙氫能源大規模應用的瓶頸。其中，氫燃料電池是最具有實際應用潛力的新一代能量供給系統，它在穩定液體中原位產生所需氫氣，再將化學能高效地轉化為電能，為航空航天、汽車等提供動力。但眾所周知，氫氣的化學性能十分活潑，如何對產生的氫氣進行安全高效的存儲就是氫燃料電池在應用過程中所面臨的關鍵問題。對于這一點，將氫氣存儲在甲醇中成為了科研人員所感興趣的解決途徑，甲醇能夠和水進行液相重整并原位釋放高質量密度(18.8wt%)的氫氣。但傳統的甲醇蒸汽重整操作需要在相對較高的溫度(200-350 ℃)下進行，若要讓氫燃料電池更好的在實際生活中應用就需要對甲醇和水的液相產氫反應進行改進，為此需要一種能高效地活化水和甲醇的催化劑。北京大學馬丁與中國科學院大學周武、山西煤化所/中科合成油溫曉東以及大連理工大學石川研究團隊于Nature上在線發表一篇題為“Low-temperature hydrogen production from water and methanol using Pt/α-MoC catalysts”的文章。該科研團隊研制了雙功能Pt/MoC甲醇液相重整制氫復合催化劑體系，利用程序升溫滲碳工藝將甲烷和氫氣同各種前驅體混合在一起，制成多種鉑改性的碳化鉬催化劑。經過材料的表征分析發現，與β-Mo₂C相比，α-MoC和鉑的相互作用更加強烈，使得高溫活化過程中鉑在α-MoC表面處于一種原子級分散態，產生一個極高密度的電子-缺陷表面Pt位點，且該位點能用于吸附/活化甲醇。同時，α-MoC表現出極高的水解離活性，在反應過程中產生豐富的表面羥基，加速鉑與α-MoC界面處反應中間體的重整。在這些因素的共同作用下，最終所制成的Pt/α-MoC催化劑具有平均轉化頻率(ATOF)為18046 h^-1的催化效率，在低溫(150 ℃-190 ℃)無堿甲醇液相重整過程中也具有很好的穩定性，而之前文獻報道的高活性Ru基催化劑必須在8M的KOH溶液中才能活化甲醇。另外，研究人員借助第一性原理計算進一步研究Pt/α-MoC催化劑的結構和電子特性以及反應機理。模擬計算結果表明，α-MoC和鉑之間確實具有更為強烈的相互作用，并且原子級分散的Pt物種的幾何結構最大化了Pt/α-MoC的暴露活性界面，有效提高了反應的活性位點密度。以產氫活性估計，僅需含有6克鉑的該催化劑即可使產氫速率達到1 kg_H2/h，基本滿足商用車載燃料電池組的需求。以目前甲醇市場價格（2,400元/噸）計算，采用此技術路徑儲放氫氣，氫燃料電池汽車每百公里燃料價格僅需約13元，而加60-80升甲醇可供家用小轎車行駛600-1,000公里。

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

2、Nature：最低晶格錯配與高密度納米析出相聯手打造超強鋼

作為一種先進的超高強韌鋼鐵材料，馬氏體時效鋼在航空航天、高速列車、先進核能和清潔能源以及國防領域發揮著關鍵作用，因而具有重要的應用價值。傳統馬氏體時效鋼的強化機制始終是基于半共格析出的金屬間化合物微顆粒的增強作用，由于基體與結構迥異增強相的半共格界面關系，導致顆粒分布不均勻，同時造成嚴重的共格畸變，從而在材料承載時易萌生裂紋或者局部應變，這極大的限制了材料的韌塑性同時影響材料服役的安全性和可靠性。此外，傳統馬氏體時效鋼含有大量昂貴金屬元素，制備過程需要反復精煉等非常嚴格的控制，這些都嚴重限制該類超高強鋼的應用，成為困擾高端鋼鐵工業發展的難題。北京科技大學呂昭平教授課題組通過創新超高強度鋼的合金設計理念，發展了超強韌的高密度有序Ni(Al,Fe)納米顆粒強化高性能新型馬氏體時效鋼，其中抗拉強度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8% 。新型超高強韌鋼的強化主要是基于最低錯配度下獲得最大程度彌散析出和高剪切應力的創新思想，即一方面通過“點陣錯配度最小化”，顯著降低金屬間化合物顆粒析出的形核勢壘，促進顆粒均勻彌散分布，并顯著提高強化顆粒的體積密度和熱穩定性，低錯配度共格界面結合小尺度有效緩解增強顆粒周邊微觀彈性畸變，改善材料宏觀均勻塑性變形能力；另一方面，引入“有序效應”作為主要強化機制，有效阻礙位錯對增強相顆粒的切過作用，從而獲得優異綜合性能的新型馬氏體時效鋼。除此之外，新型超強韌馬氏體時效鋼通過采用Al元素代替傳統馬氏體時效鋼中昂貴的合金元素，可添加傳統馬氏體時效鋼所避免的C元素，初步實現了高端鋼鐵材料的制備工藝簡化和低成本的目標，不但有力地推動該類材料的實際工程應用，同時為新型超高強度材料的發展打開了新的研究思路。

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

3、Nature：研制出將二氧化碳高效清潔轉化為液體燃料的新型鈷基電催化劑

將二氧化碳在常溫常壓下電還原為碳氫燃料，是一種潛在的替代化石原料的清潔能源策略，并有助于降低二氧化碳排放對氣候造成的不利影響。實現二氧化碳電催化還原的關鍵瓶頸問題是將二氧化碳活化為CO2·－自由基負離子或其他中間體，這需要異常高的過電位。最近報道顯示基于金屬氧化物還原得到的金屬比通過其他方法制備的金屬催化活性要高，但是不清楚金屬氧化物如何改變了金屬的電催化活性，這主要是因為界面和缺陷等微結構的存在影響了二氧化碳還原的活性。為了評估金屬和金屬氧化物兩種不同催化位點的作用，中國科學技術大學謝毅和孫永福研究組制備了四原子厚的鈷金屬層和鈷金屬/氧化鈷雜化層。他們發現在低過電位下，相對于塊材表面的鈷原子，原子級薄層表面的鈷原子具有更高的生成甲酸鹽的本征活性和選擇性。而部分氧化的原子層進一步提高了它們的本征催化活性，在過電位僅為0.24伏下實現了10毫安每平方厘米的電流輸出超過40小時，且其甲酸鹽選擇性接近90%，這超過此前報道的金屬或金屬氧化物電極在同等條件下得到的結果。

文獻鏈接：Partially oxidized atomic cobalt layers for carbon dioxide electroreduction to liquid fuel（Nature，2016，DOI：10.1038/nature16455）

4、Science：世界首例真實穩定可控的單分子光電子開關器件

構造出性能優異（指的是良好的普適性、穩定性和可重復性）的分子開關的最大挑戰是，對開關分子與電極材料之間的界面問題缺乏控制。值得注意的是，前期有了關于利用二芳烯單分子與金（Au）電極設計構造的單向光電子開關（即，閉環態導電，開環態絕緣）報道，其中，二芳烯與金電極之間利用Au-S鍵聯結。Au和S之間的鍵合作用使得激發態開環分子在金電極上得以出現。在本文之前，課題組已經在單原子碳基（單壁碳納米管和石墨烯）電極材料的基礎上做出了非常優異的成果，設計合成了三種結構改進的二芳烯分子，并構建了單分子光開關器件，但遺憾的是，該研究只實現了從關態到開態的單向光開關功能。基于課題組的前期積累，北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組和美國賓夕法尼亞大學Abraham Nitzan教授課題組、北京大學信息科學技術學院徐洪起教授課題組利用理論模擬預測和分子工程設計的方法在二芳烯功能中心和石墨烯電極之間成功引入關鍵性的亞甲基基團，最終所得實驗結果和理論預測結果一致，表明新體系成功地實現了分子和電極間界面耦合作用的優化，從而突破性地構建了一類可逆型的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子器件。石墨烯電極穩定的碳骨架以及與二芳烯分子形成的牢固的分子/電極間鍵合作用使得這些單分子開關器件具有空前的開關精度、穩定性和可重復性，在未來高度集成的信息處理器、分子計算機和精準分子診斷技術等方面具有巨大的應用前景。

文章鏈接：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劑

目前人類生活所消耗的能源主要依賴于儲存有限、不可持續的化石燃料，因此，發展可持續的清潔能源具有重要意義。不論是從能源利用還是從環境保護的角度來看，相對于光催化降解有機污染物而言，光催化分解水產氫似乎顯得更加有意義。蘇州大學康振輝老師課題組2015年發表在Science上的一項工作結合了兩種碳材料—碳點和石墨相氮化碳各自的優勢，實現了催化反應的“強強聯手”。具體點說，他們通過設計合成原料豐富的碳點-石墨相氮化碳(C Dots–C₃N₄)復合催化劑體系，其中C₃N₄主要實現光催化反應(i) 2H₂O → H₂O₂ + H₂，生成的H₂O₂接著在C Dots 上發生快速化學催化反應(ii) 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂，這樣，原來的速控步--4電子過程2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e-就變成了反應(i)+(ii)的2電子/2電子兩步過程，從而獲得了高達2.0%的太陽能轉化效率以及循環200天的超高穩定性。

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

6、Nature：量子點發光二極管

由于大面積器件的低成本制造潛力以及與輕質柔性塑料基板的兼容性，溶液加工的光電子和電子器件具有吸引力。 在過去二十年中，使用共軛聚合物或量子點作為發射體的溶液加工發光二極管（LED）引起了極大的興趣。然而，溶液加工LED的整體性能（包括其效率，開啟電壓和工作條件下的使用壽命）仍低于最佳真空沉積有機LED的性能。浙江大學高新材料化學中心彭笑剛課題組和金一政課題組設計出一種新型的量子點發光二極管（QLED），制備方法基于低成本、有潛力應用于大規模生產的溶液工藝，其綜合性能超越了已知的所有溶液工藝的紅光器件，將使用亮度條件下的壽命推進到10萬小時的實用水平。這種新型QLED器件有望成為下一代顯示和照明技術的有力競爭者。

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

7、Nature：納米孿晶金剛石

盡管金剛石是切削刀具最堅硬的材料，但熱穩定性差，限制了它的應用，特別是在高溫下。長期以來人們希望同時改善金剛石的硬度和熱穩定性。根據Hall-Petch效應，如先前的研究所示，通過納米結構（通過納米級微米結構和納米級微結構）可以增強金剛石的硬度。然而，對于燒結良好的納米顆粒金剛石，晶粒尺寸在技術上限于10-30nm，與天然金剛石相比熱穩定性降低。近來在合成具有低至約3.8nm雙層厚度的納米孿晶立方氮化硼（nt-cBN）方面的成功使得可以同時實現較小的納米尺寸，超硬度和優異的熱穩定性。目前，納米孿晶金剛石（nt-diamond）尚未通過直接轉化各種碳前體（如石墨，無定形碳，玻璃碳和C₆₀）而成功制備。燕山大學田永君教授率領團隊在高壓和高溫下直接合成nt-金剛石，其平均雙層厚度為?5nm，并且觀察到與nt-diamond共存的新的單斜晶體形式的金剛石。純合成塊狀金剛石材料具有前所未有的硬度和熱穩定性，維氏硬度高達200GPa，空氣中的氧化溫度比天然金剛石高200℃以上， 超過了人造金剛石單晶。

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

8、Science：天然氣直接制乙烯

乙烯、PX等石化產品是現代工業最重要的原材料之一，乙烯更是被視為一個國家工業發展水平的重要標志。此前乙烯多由石油裂解獲得，而從甲烷制備乙烯的工藝路線，至今仍被視為化學領域的“圣杯”。據悉，中國目前乙烯產量居世界第二，但仍然遠遠落后于美國，而我國對聚乙烯等下游產品的需求量已經趕超美國，這對中國的能源安全提出了巨大挑戰。有了上述新技術，未來我國將可用儲量遠大于石油的天然氣、頁巖氣高效生產乙烯。中科院大連化學物理研究所包信和院士團隊在甲烷高效轉化相關研究中獲重大的突破。通過嵌入二氧化硅基質中的單鐵位點可以使甲烷直接非氧化轉化，專門用于乙烯和芳香族化合物。反應由甲基自由基的催化生成開始，隨后進行一系列氣相反應。鄰近鐵位點的缺乏防止了催化C-C偶合，進一步低聚以及因此焦炭沉積。在1363K時，甲烷轉化率達到最大值48.1％，乙烯選擇性達到最高值48.4％，而總烴選擇性超過99％。

文章鏈接：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，材料牛整理編輯。

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