實力詮釋“一門三院士、桃李滿天下”!師從“光催化之父”的三位院士-劉忠范、江雷、姚建年


藤島昭,國際著名光化學科學家,光催化現象發現者,多次獲得諾貝爾獎提名,因發現了二氧化鈦單晶表面在紫外光照射下水的光分解現象,即“本多-藤島效應”(Honda-Fujishima Effect),開創了光催化研究的新篇章,后被學術界譽為“光催化之父”。藤島昭教授雖然是日本人,但他與中國的關系十分密切,這種密切的關系體現在3 個方面:交流合作、培養人才、學習文化。國內光化學界更是流傳著關于藤島昭教授“一門三院士,桃李滿天下”的佳話。其指導過的中國學生包括:北京大學劉忠范院士、北京航空航天大學江雷院士、中國科學院化學所姚建年院士。接下來,本文重點介紹“一門三院士“的主角-劉忠范院士、江雷院士、姚建年院士以及他們的近期研究進展。

一、劉忠范

北京大學博雅講席教授,中國科學院院士,發展中國家科學院院士,中組部首批萬人計劃杰出人才,教育部首批長江學者特聘教授,首批國家杰出青年科學基金獲得者。英國物理學會會士,英國皇家化學會會士,中國微米納米技術學會會士。1983年畢業于長春工業大學,1984年留學日本,1990年獲東京大學博士,1990–1993年東京大學和國立分子科學研究所博士后。1993年6月回北京大學任教,同年晉升教授?,F任北京石墨烯研究院院長、北京大學納米科學與技術研究中心主任。中國化學會副理事長、中國國際科技促進會副會長、中關村石墨烯產業聯盟理事長、中關村科技園區豐臺園科協第三屆委員會主席、教育部科技委委員及學風建設委員會副主任和國際合作學部副主任。曾任北京大學現代物理化學研究中心主任(1995–2002),物理化學研究所所長(2006–2014),北京市科委掛職副主任(2016–2017),北京市低維碳材料工程中心主任(2013–2018),國家攀登計劃(B)、973計劃和納米重大研究計劃項目首席科學家,國家自然科學基金“表界面納米工程學”創新研究群體學術帶頭人(三期)等。主要從事納米碳材料、二維原子晶體材料和納米化學研究,在石墨烯、碳納米管的化學氣相沉積生長方法及其應用領域做出了一系列開拓性和引領性工作,是國際上具有代表性的納米碳材料研究團隊之一。發表學術論文560余篇,申請中國發明專利100余項。獲日中科技交流協會“有山兼孝紀念研究獎”(1992)、香港求是科技基金會杰出青年學者獎(1997)、中國分析測試協會科學技術獎一等獎(2005)、教育部高等學??茖W技術獎自然科學一等獎(2007)、國家自然科學二等獎(2008,?2017)、中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎(2012)、寶鋼優秀教師特等獎(2012)、日本化學會膠體與界面化學年會Lectureship?Award(2016)、北京大學方正教師特別獎(2016)、“北京市優秀教師”(2017)、ACS?Nano?LectureshipAward(2018)等?,F任“物理化學學報”主編、“科學通報”副主編,Adv. Mater.、ACS Nano、Small、Nano Res.、ChemNanoMat、APL Mater.、National Science Review等國際期刊編委或顧問編委。

近期代表性成果:

1、Angew:冷壁化學氣相沉積方法用于石墨烯的超凈生長

北京大學劉忠范院士,彭海琳教授和曼徹斯特大學李林教授展示了一種在CW-CVD系統中大面積生長超潔凈石墨烯薄膜的簡便方法,該方法制備的石墨烯薄膜具有改善的光學和電學性質。溫度的獨特分布將抑制生長過程中的氣相反應,從而確保獲得清潔度得到改善的石墨烯。干凈的石墨烯薄膜是用于包括透明電極和外延層在內的應用的有前途的材料。這項研究為石墨烯的CVD生長中的氣相反應工程學提供了新的見解,從而獲得了高質量的石墨烯薄膜,并為大規模生產具有改進性能的石墨烯薄膜鋪平了道路,為將來的應用鋪平了道路。

文獻鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202005406

2、ACS Nano:大規模合成具有多功能石墨烯石英纖維電極

北京大學劉忠范院士,劉開輝研究員等人結合石墨烯優異的電學性能和石英纖維的機械柔韌性,設計并通過強制流動化學氣相沉積(CVD)制備了混雜石墨烯石英纖維(GQF)。高導電性、卓越的吸附能力和精細的結構使GQF成為一種很有前途的實時氣體檢測方法。此外,利用石墨烯的柔韌性和石英纖維的高強度等優點,可以將所制備的GQFs編織成具有可調片電阻的平方米級GQFF。這項工作不僅提供了一種多功能石墨烯纖維材料,而且為傳統材料與前沿材料的結合提供了研究方向,將有助于石墨烯與石英纖維在不久的將來實現產業化和商業化。

文獻鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01298

3、Nano Lett: 層狀石墨烯用于定量分析鋰離子電池介電層集電器的界面性能

北京大學劉忠范院士和彭海琳教授等人證實了基于石墨烯設計的Al集電器/電解質界面處增強的防腐性能,石墨烯表層使商用鋁箔用作LIB中的正極集電器時具有與電解質和電極材料幾乎理想的界面。此外,研究人員展示了在金屬箔上分層石墨烯合成的批量生產方法,證明了其技術可擴展性。坦白地說,盡管其合成是在相對較低的溫度下進行的,但目前其商業化的瓶頸在于合成效率低和成本高。該工作有望開拓石墨烯市場。

文獻鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00348

二、江雷

江雷,1965年3月生吉林長春,無機化學家、納米材料專家,中國科學院院士?、發展中國家科學院院士、美國國家工程院外籍院士?? ,中國科學院化學研究所研究員、博士生導師,北京航空航天大學化學與環境學院院長?。1987年江雷從吉林大學固體物理專業畢業后留在本?;瘜W系物理化學專業就讀碩士;1990年獲得碩士學位后繼續在校攻讀博士學位;1992年作為中日聯合培養的博士生公派去日本東京大學學習,師從國際光化學科學家藤島昭;1994年獲得吉林大學博士學位后繼續在東京大學做博士后研究;1996年進入日本科技廳神奈川科學技術研究院工作;1998年獲得日本文部省頒發的青年特別獎勵基金,同年入選中國科學院百人計劃;1999年進入中國科學院化學研究所工作;2001年獲得國家杰出青年科學基金資助;2004年兼任國家納米科學中心首席科學家;2008年兼任北京航空航天大學化學與環境學院院長;2009年當選中國科學院院士;2012年當選發展中國家科學院院士;2015年獲第三屆中國國際納米科學技術會議獎;2016年當選為美國國家工程院外籍院士;2017年獲得全國創新爭先獎??。主要從事仿生功能界面材料的制備及物理化學性質的研究,揭示了自然界中具有特殊浸潤性表面的結構與性能的關系,提出了“二元協同納米界面材料”設計體系。在超雙親/超雙疏功能材料的制備、表征和性質研究等方面,發明了模板法、相分離法、自組裝法、電紡絲法等多種有實用價值的超疏水性界面材料的制備方法。制備出多種具有特殊功能的仿生超疏水界面材料。2017年獲得德國洪堡研究獎(Humboldt Research Award);2016年分別獲得日經亞洲獎(Nikkei Asia Prizes);聯合國教科文組織納米科技與納米技術貢獻獎(UNESCOMedal "For Contribution to the Development of Nanoscience andNanotechnologies"); 2015年獲得ChinaNANO 獎(首位華人獲獎者);2014年作為中國大陸首位獲獎人獲得美國材料學會獎勵“MRS Mid-CareerResearcher Award ”;同年獲得化學領域和材料領域湯森路透高被引科學家獎以及最具國際引文影響力獎; 2014年度中國科學院杰出科技成就獎;2013年獲得何梁何利科學技術獎;2011年獲得第三世界科學院化學獎;2005年以“具有特殊浸潤性(超疏水/超親水)的二元協同納米界面材料的構筑”成果獲國家自然科學二等獎。曾獲北京市科學技術獎一等獎,中國化學會青年化學獎,中國青年科技獎等獎勵。2007年被聘為“納米研究”重大科學研究計劃“仿生智能納米復合材料”項目首席科學家。

近期代表性成果:

1、Angew:量身定制聚醚砜雙極膜用于高功率密度的滲透能發生器

中科院理化技術研究所江雷院士,聞利平研究員和Xiang-Yu Kong從相同的PES前體合成了帶負電荷的磺化聚醚砜(PES-SO3H)和帶正電荷的咪唑型聚醚砜(PES-OHIM),并采用無溶劑誘導相分離(NIPS)和旋涂(SC)法制備了一系列雙極膜。其中,PES-SO3H層充當功能層,PES-OHIm層充當支撐層。由于聚(芳基醚砜)的高分子量,該膜表現出良好的物理性能。研究人員研究了在50倍的鹽度梯度下,雙極膜的最大功率密度可達~6.2 W/m2,比Nafion 117高出13%。這項工作展示了設計雙極膜的策略,并闡述了其在鹽度梯度發電系統中的優越性。

文獻鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202006320

2、Nature Commun:三維水凝膠界面膜來實現滲透能的高效轉化

中科院理化所江雷院士和聞利平研究員等人通過將帶電荷的聚電解質水凝膠涂覆到ANF膜上制備的新設計的異質膜中觀察到了高性能的滲透能轉換。由于固有的多級不對稱性,混合膜表現出電荷控制的不對稱離子傳輸行為,可以大大減少離子極化現象。而且,具有廣闊帶電荷3D網絡的聚電解質凝膠可以充當離子擴散促進劑,從而大大提高界面傳輸效率。這樣的膜設計大大促進了跨膜離子的擴散,有助于實現5.06 W m-2的高功率密度,這是基于納米流體膜的滲透能轉換的最高值。此外,聚電解質水凝膠膜功能的良好可調性可系統地理解可控離子擴散機理及其對整體膜性能的影響。這項工作突出了界面設計在基于納米流體膜的滲透能轉換系統的構建中的重要性,證明了聚電解質凝膠作為高性能界面材料在非均相滲透發電領域的巨大前景。

文獻鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-14674-6?

3、ACS Nano:用于單向液體滲透的具有超親水性和親水性的高柔韌性單層多孔膜

北京航空航天大學江雷院士和田東亮副教授等人通過相轉移方法開發了一種在相對表面具有特殊微孔和納米孔的超親水-親水單層多孔PES膜,該膜可用于在廣泛的pH值范圍內編程單向液體滲透和有效的反重力單向液體上升劑;即,水滴可以自發地從一個表面滲透到另一表面,但是由于擴散和滲透之間的競爭行為,如果使膜翻轉,水滴將被阻塞。該膜具有出色的耐久性,超柔韌性,防腐性能和耐低溫性能。通過控制的定向傳輸能力,如單向滲透,雙向未滲透和雙向滲透,也可以獲得不同孔徑的PES膜梯度。該研究為多孔材料和智能除濕材料的設計提供了一條新途徑,在生物醫學材料、先進功能紡織品、工程除濕材料等方面具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02558

三、姚建年

姚建年,研究員,物理化學家,獲日本東京大學工學部博士學位,現任中國科學院化學研究所研究員,中國化學會理事長,第十三屆全國人大常委會委員,全國人大社會建設委員會副主任委員,農工黨中央副主席,中國科協第九屆全國委員會常務委員,英國皇家化學會和國際納米制造學會的fellow,日本科學技術振興機構(JST)中國綜合研究中心顧問。2005年當選中國科學院院士。長期從事新型光功能材料的基礎和應用探索研究,在低維材料、納米光電子學等方面做出了開創性貢獻。迄今Nature, Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. 等國際化學和材料界等雜志上發表論文500余篇(他引15000余次),出版合著4部,合作譯著1部,擔任擔任《CCS Chemistry》主編、《光電子科學與技術前沿叢書》主編、《中國大百科全書》第三版化學學科副主編、物理化學分支主編。1995年獲中國駐日大使館教育處優秀留學人員稱號,同年獲國家杰出青年科學基金資助;1997年首批入選"百、千、萬人才工程"第一、二層次;2003年榮獲教育部"全國優秀博士學位論文指導教師"稱號,同年由他為學術帶頭人的"光功能材料的設計、制備與表征"獲基金委創新研究群體資助;2004年以成果"若干新型光功能材料的基礎研究和應用探索"獲國家自然科學二等獎(第一獲獎人);2013年獲中國分析測試協會科學技術獎(CAIA)一等獎(第二獲獎人);2014年以成果"低維光功能材料的控制合成與物化性能"獲國家自然科學獎二等獎(第一獲獎人);2015年獲何梁何利基金科學與技術進步獎;2016年獲中國科學院杰出成就獎。此外,還多次獲中科院優秀導師獎。姚建年院士在有機功能納米結構的制備及其性能研究,基于分子設計的有機納米結構的形貌調控,液相膠體化學反應法對低維結構形成動力學過程的調控,有機納米結構的特異光物理和光化學性能研究等多方面取得了卓越的成就。就像在有機功能納米結構研究上,考慮到納米結構在無機半導體領域所取得的非凡成就,作為一類重要的光電信息功能材料,有機分子結構的多樣性,可設計性以及材料合成及制備方法上的靈活性都使得有機納米結構的研究尤為重要。姚建年的主要研究工作是通過分子設計和分子間弱相互作用的控制,制備有機納米/亞微米結構,研究這些納米/亞微米結構的光物理和光化學性能,并在此基礎之上開展一些應用基礎研究。他先后發現了分子間電荷轉移激子的限域效應、多種光物理和光化學性能的尺寸依賴性;發展了多種制備有機納米結構的方法,并借此開發了多種低維有機納米功能材料,包括多色發光、白光材料以及光波導和紫外激光器材料等。

近期代表性成果:

1、Angew:?調節單原子摻雜二氧化鈦中晶格氧的電荷轉移以HER

中科院化學研究所姚建年院士和北京交通大學王熙教授分別以TM1/TiO2和HER為模型催化劑和模型反應,系統地研究了催化作用下的電荷轉移。O活性位點的活性不僅可以通過用其他TM原子代替最接近的原子(Ti)來調節,而且可以通過在其第二最接近的位點產生O空位來調節。兩種方法均被證明在調節電荷向O的轉移以及HER性能的變化中起關鍵作用。實驗結果進一步證實了這種調節是可行的,從而可以建立電荷轉移與催化之間的關系。該工作揭示了AR對電荷轉移的影響,并為通過精確調節活性的方法從而設計出高效且環保的催化劑鋪平了道路。

文獻鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202004510

2、JACS: 多晶有機納米晶中的光致發光各向異性

中科院化學研究所姚建年院士團隊成功地從鉑(II)-β-二酮酸酯絡合物制備了兩個多晶型納米晶體PtD-g和PtD-y。這些材料具有出色的集光和EnT特性,這是通過摻雜低能紅色發射鉑的受體實現的。此外,在純凈和摻雜的PtD-y晶體中觀察到了與EnT過程耦合的顯著PL各向異性。對于純PtD-y供體和摻雜的受主發射,最高的PL各向異性比分別達到0.87和0.82,表明供體的激發各向異性能可以有效地轉移到受體上,并具有顯著的放大作用。這項工作表明,堆積方式對晶體材料的激發態和PL各向異性具有重要影響,表明多晶型納米結構在多功能納米光子器件中的巨大應用潛力。

文獻鏈接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b02055

本文由eric供稿。

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