跨領域，誰與爭鋒，深度了解新晉歐洲科學院馮新亮院士

Alisa 4年前 (2019-05-15) 6217瀏覽

說到研究領域能夠同時橫跨有機合成、聚合物、無機材料和能源科學的80后科學家，領域內的科研工作者們一定會想到馮新亮教授課題組。這不，因為馮教授在剛剛過去的四月成功當選歐洲科學院院士。在這里，筆者精選十篇馮教授課題組在過去一年的發表在頂級期刊的工作，帶領大家了解馮教授課題組的創新性研究成果。

80后歐洲科學院院士成長史

在這里，首先向大家簡要介紹一下馮新亮教授。馮新亮教授是德國德累斯頓工業大學和上海交通大學講席教授，“長江學者”講座教授， 2019年入選歐洲科學院材料科學部院士。馮教授于2001年獲得中國地質大學學士學位，2004年獲得上海交通大學碩士學位，同年赴德國馬普高分子研究所深造，2008年獲博士學位。因在石墨烯研究領域的突出貢獻，他與德國科學家Klaus Mu?llen共同獲得了德國2017年度漢堡科學獎。此外馮教授還擔任歐盟“石墨烯旗艦”計劃大項副首席科學家，Advanced Materials，Journal of Materials Chemistry A，Chemistry-An Asian Journal，Energy Storage Materials，Small Methods，Materials Chemistry Frontiers，ACS Applied Electronic Materials 等雜志的顧問委員會委員, 編輯委員會委員和國際咨詢委員會委員。

馮教授課題組主要致力于芳香耦聯的有機合成方法學，共軛π-體系分子的有機設計和合成，基于π-體系分子的超分子化學，二維納米石墨烯的合成研究，基于石墨烯的維納米能源材料和電子器件研究，基于石墨烯電極材料在太陽能電池和場效應晶體管器件的應用研究，有機和高分子多孔材料的合成和應用研究,可控納米結構功能碳材料、有機/無機雜化材料的設計合成及其在能源儲存和轉化的應用研究。目前在Nature、Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等發表論文400多篇， SCI引用>40000次，H-index因子>100，入選化學和材料領域高引用科學家。

石墨烯分子的有機合成—石墨烯納米帶

通過使用低苯乙烯和聚苯乙烯前驅體，通過在分子內氧化環脫氫反應下，可以合成具有原子級別精確結構的納米石墨烯和石墨烯納米帶。這種 “自下而上”合理策略的最大優勢是可以通過調節分子大小、邊緣結構或適當雜原子的摻入來調整石墨烯的能量間隙。納米石墨烯中，具有鋸齒形邊緣的并苯（acene）?和n-peri-acene (n-PA)?(圖1a)是有機場效應晶體管、有機發光二極管和有機自旋電子學等的潛在候選材料。由于化學穩定性差，以溶液為基礎合成n-PA一直是個很大的挑戰。在2018年，馮新亮教授課題組發表在JACS上的一篇工作，發現用適當的苯基取代基對鋸齒狀外圍進行空間保護可以高效在傳統的有機溶劑中合成4-PA。馮教授課題組報道的溶液法方法合成的4-PA具有單線雙自由基的特征，同時顯示出優良的持久穩定性，其半衰期約為3小時。紫外-近紅外光譜和電化學測量表明其具體較小的光學/電化學能隙（1.11 eV）。

文獻鏈接:M. R. Ajayakumar, Y. Fu, J. Ma, F. Hennersdorf, H. Komber, J. J. Weigand, A. Alfonsov, A. A. Popov, R. Berger, J. Liu,* K. Mu?llen, X. Feng*. Toward Full Zigzag-Edged Nanographenes: peri-Tetracene and Its Corresponding Circumanthracene.?J. Am. Chem. Soc.?2018, 140, 6240?6244.

圖1

（a）各類分子石墨烯的結構；（b）sp²-碳連接的COF 的結構；（c）和（d）半導體MOFs的結構和投射電子顯微鏡圖。

sp²-碳連接的共價有機框架材料—新型COFs

馮教授課題組特別強調從分子水平的層面進行科學研究。比如早在2016年，課題組通過Knoevenagel縮合反應，首次報道合成了二維 sp²-碳連接的共軛聚合物（2D CCP）。與傳統的二維共軛聚合物框架相比，二維CCPs具有較高的化學穩定性和增強的離域電子結構。基于此，課題組在2019年將具有氧化還原活性的hexaazatrinaphthalene (HATN)引入到了二維 sp²-碳連接的共軛聚合物中（圖1b）。而且，該氧化還原活性的2DCOF被成功的應用到了有機鋰電池的正極材料。這項工作豐富了sp2-碳連接的2D CCP家族，預計該材料未來在有機電子領域和能量儲存及轉換領域具有極大的應用前景。

文獻鏈接:S. Xu, G. Wang, B. P. Biswal, M. Addicoat, S. Paasch, W. Sheng, X. Zhuang, E. Brunner, T. Heine, R. Berger,* X. Feng*. A Nitrogen-Rich 2D sp²-Carbon-Linked Conjugated Polymer Framework as a High-Performance Cathode for Lithium-Ion Batteries.?Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 849–853.

金屬有機框架新應用---半導體MOFs潛力無限

不斷開拓化學新領域并嘗試發現十分具有價值的新材料和新應用也是馮教授一直秉持的科學原則（參考Wiley名人訪談 | 馮新亮教授專訪）。2018年， Nature Materials?報道了馮教授課題組在半導體二維金屬有機框架的最新研究。眾所周知，目前報道的大多數MOFs都具有絕緣特性。近年來，通過調節MOF中的長程結晶順序，以及有機和無機成分之間的耦合，科學家成功的開發出來了導電MOF作為新一代電子材料。但是，導電MOF中電荷傳輸的性質仍然難以捉摸。馮教授課題組報了一種全光學，無接觸可以研究MOF電荷傳輸的技術---Time-resolved太赫茲光譜(TRTS)。使用該技術，在π–d 共軛的MOF?(Fe₃(THT)₂(NH₄)₃)(圖1c)觀察到了Drude-type的帶狀運輸。而且該半導體MOF具有約0.25 eV的直接紅外帶隙和超高的電荷載流子遷移率（220 cm²?V^-1?s^-1）。

文獻鏈接: R. Dong?, P. Han, H. Arora, M. Ballabio, M. Karakus, Z. Zhang, C. ?Shekhar?, P. Adler, P. St. Petkov, A. Erbe, S. C. B. Mannsfeld, C. Felser, T. Heine, M. Bonn, X. Feng,* E. Cánovas*. High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework. Nat. Mater. 2018, 17, 1027–1032.

圖2: 電化學的方法剝離黑磷的示意圖和基于二維黑磷納米片的場效應晶體管。

二維無機材料的高效剝離—電化學剝離法

電化學剝離二維無機材料也是馮教授課題組近年來非常具有代表性的工作。2018年德國應用化學報道了馮教授課題關于一種非氧化策略下的電化學剝離黑磷的工作。在無氧的非水TBA·HSO₄/碳酸丙烯酯(PC)電解質中，施加電壓可以導致季銨鹽陽離子的嵌入到黑磷層間（圖2）。于此同時，負離子HSO₄^–?釋放氫離子產生PC溶劑化的質子，接下來的溶劑化氫離子也嵌入其層間，并還原產生H₂，進一步增加兩個相鄰的BP層的距離，最終達到剝離的效果（圖2）。該方法的剝離率可達78%，得到的二維黑磷薄片尺寸可達20.6 微米。場效應晶體管測試表明該方法制備的黑磷薄片具有很高的空穴遷移率（252 ±18 cm²?V^-1?s^-1）。

文獻鏈接: S. Yang, K. Zhang, A. G. Ricciardulli, P. Zhang, Z. Liao, M. R. Lohe, E. Zschech, P. W. M. Blom, W. Pisula, K. Müllen,* X. Feng*. A Delamination Strategy for Thinly Layered Defect-Free?High-Mobility Black Phosphorus Flakes. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 4677–4681.

同一年，課題組還報道了無氟的電化學刻蝕的方法制備了二維Ti₃C₂T_x納米片的工作。在1 M NH₄Cl 和0.2M羥化四甲銨(TMA·OH)混合電解質中，Ti₃AlC₂同時作做陰極和陽極。當施加5V電壓下，氯離子可快速腐蝕鋁和從而打破鈦鋁鍵，隨后的混合電解質中的氫氧化銨(NH₄OH)的插入可蝕刻陽極的邊緣。在室溫下，陽極(Ti₃AlC₂)可以在5小時左右被完全腐蝕。90%以上的剝落材料為單層或雙層Ti₃C₂T_x納米片，其平均橫向尺寸超過2微米。該電化學刻蝕的方法優于傳統基于HF的蝕刻工藝。

文獻鏈接: S. Yang, P. Zhang, F. Wang, A. G. Ricciardulli, M. R. Lohe, P.W. M. Blom, X. Feng*. Fluoride-Free Synthesis of Two-Dimensional Titanium Carbide (MXene) Using A Binary Aqueous System. Angew. Chem. Int. Ed.?2018, 57, 15491–15495.

圖3: 正負極極性可換的雙石墨電池的工作原理圖

充電電池新思路---極性可換的雙石墨電池

多功能電池的安全性在極端條件下的安全性目前還很難保證。目前，很少有電池能在充電過程中忍受電池正極和負極的極性混淆，而這弄混極性又是可充電電池常見的錯誤操作。基于此，馮新亮教授課題組介紹了一種基于鋰離子和陰離子插層的極性可調的雙石墨電池（圖3）。石墨獨特的氧化還原兩性插入行為允許改石墨電池可以在正極和負極之間可逆切換，從而實現了極性可換的對稱石墨電池。而且，該電池在極性切換過程中，石墨正極和負極都可以被進一步活化，從而帶來了更高的容量和更快的氧化還原反應動力學。因此,該石墨電池的最大功率密度可達8.66 kW kg^?¹,最高能量密度可達?227 Wh kg^?¹，優于其他對稱的電池和雙離子電池。

文獻鏈接: G. Wang, F. Wang, P. Zhang, J. Zhang, T. Zhang, K. Müllen, X. Feng*. Polarity-Switchable Symmetric Graphite Batteries with High Energy and High Power Densities. Adv. Mater. 2018, 30, 1802949.

高效電催化劑的構筑-單原子催化劑

開發低成本的電催化劑取代貴金屬銥基材料是析氧反應(OER)的關鍵。在此，課題組報告了原子級分散鎳與氮和硫配位的多孔碳納米片做為高效的OER電催化劑（圖4）。該單原子催化劑是在900℃的Ar氣氛中,通過解反應電化學剝落石墨烯薄片上生長的三元雙氰胺噻吩鎳鹽前驅體，并經酸浸處理后制備。該單原子電催化劑具有很高OER性能，在10 mA cm^-2時仍然具有1.51 V的低過電位和45 mV dec^-¹的塔菲爾斜率，優于所有報道的過渡金屬或者雜原子摻雜的碳催化劑，甚至是優于堿性介質中的商業Ir/C基催化劑除OER以外，該催化劑在電化學二氧化碳還原和電化學固氮方向也有潛在的應用前景。

文獻鏈接: Y. Hou*, M. Qiu, M. G. Kim, P. Liu, G. Nam, T. Zhang, X. Zhuang, B. Yang, J. Cho, M. Chen, C. Yuan, L. Lei, X. Feng*. Atomically dispersed nickel–nitrogen–sulfur species anchored on porous carbon nanosheets for efficient water oxidation. Nat. Commun.?2019, 10, 1392.

圖4:原子級分散的鎳與氮和硫配位的多孔碳納米片單原子催化劑及其結構的表征和模擬。

此外，馮新亮教授還撰寫了很多篇高水平的二維材料及其在電化學電容器應用方面的綜述，深入的從化學的角度出發，分析了二維材料的結構與其電化學功能的聯系，在此，分享三篇影響力較高的相關綜述。謹以此文表達對馮教授的尊敬，并感謝其對二維材料及能源存儲和轉化領域做出的貢獻。如有描述不當，歡迎指出。

文獻鏈接: R. Dong, T. Zhang, X. Feng*.?Interface-Assisted Synthesis of 2D Materials: Trend and Challenges. Chem. Rev. 2018, 118, 6189–6235.

文獻鏈接: P. Zhang, F. Wang, M. Yu, X. Zhuang*, X. Feng*. Two-dimensional materials for miniaturized energy storage devices: from individual devices to smart integrated systems. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 7426-7451.

文獻鏈接: M. Yu, X. Feng*. Thin-Film Electrode-Based Supercapacitors. Joule?2019, 3, 338–360.

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本文由Hamborg供稿