10月31日，中國科學院科技戰略咨詢研究院、中科院文獻情報中心與Clarivate Analytics公司 (原湯森路透知識產權與科技事業部)聯合發布全球《2016研究前沿》報告，遴選出自然科學和社會科學10個大學科領域排名最前100個熱點前沿和近兩年發展迅速的80個新興前沿。中國表現卓越的研究前沿有30個，在世界各國中位列第二。這30個前沿覆蓋8個領域，中國學者在化學、材料科學領域表現優異。
1.2 重點熱點前沿——白光LED用熒光
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，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 個國家參與了核心論文的產出。中國以 59.1%的比例，占據第 1 名，是第 2 名中國臺灣的 2.4 倍（表31）。德國和美國分別位列第 3 和第 4 名。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。
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，中國學者的研究影響力也很高。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。
1.3 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。上世紀七、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，鈉離子相對較重且半徑較大，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。鋰離子電池適合在對能量密度有較高需求的便攜式電源設備和電動汽車領域。而鈉離子電池適合對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。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。
2. 新興前沿及重點新興前沿解讀
2.1 新興前沿概述
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。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。
2.2 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 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ABX 3 晶型的有機金屬鹵化物吸光材料，其中 A 為甲胺基（CH 3NH3 ），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（CH 3 NH 3 PbI 3 ）。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、日、瑞士合作制得大面積（工作面積超過 1cm 2 ）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賽反映了瑞士、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。例如，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。
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整理自2016研究前沿。
