2月20日,科技部發布2016年度中國科學十大進展，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，至今已舉辦12屆。其遴選程序分為推薦、初選和終選3個環節，所推薦的科學進展為2015年12月1日至2016年11月30日期間正式發表的研究成果。
共有4項材料相關成果入選，3篇《Science》，1篇《Nature》。其中“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”名列榜首。下面材料科學與工程公眾號帶您一起回顧這四項材料相關的成果：
1、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??自由基負離子或其它中間體，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它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。該研究工作有助于讓研究者重新思考如何獲得高效和穩定的CO2電還原催化劑。相關研究結果發表在2016年1月7日《自然》上。加州理工大學Karthish Manthiram教授評論認為“這是一次重大的科學突破。雖然它在進入商業化使用之前還需要一段非常長的時間，但是目前這個階段的發展不管從哪個角度看都是積極樂觀的。”
2、開創煤制烯烴新捷徑
烯烴是與人們日常生活息息相關的重要化學品。我國是烯烴消費大國，其傳統的生產原料主要依賴石油，這不僅使烯烴的生產成本居高不下，同時也嚴重地危及到了我國的能源安全。20世紀初，德國科學家費舍爾和拓普希提出了一條由煤經水煤氣變換生產烯烴的費-托(F-T)路線，但是，該過程原理上會產生大量的副產物，同時還需要消耗大量的水，嚴重阻礙了該技術發展和實際應用。
中國科學院大連化學物理研究所包信和和潘秀蓮研究團隊從納米催化的基本原理入手，開發出了一種過渡金屬氧化物和有序孔道分子篩復合催化劑，成功實現了煤基合成氣一步法高效生產烯烴，C2到C4低碳烯烴單程選擇性突破了費托過程的極限，一躍超過80%。同時，反應過程完全避免了水分子的參與，從源頭回答了李克強總理提出的“能不能不用水或者少用水進行煤化工”的詰問。該成果在納米尺度上實現了對分別控制反應活性和產物選擇性的兩類催化活性中心的有效分離，使在氧化物催化劑表面生成的碳氫中間體在分子篩的納米孔道中發生受限偶聯反應，成功實現了目標產物隨分子篩結構的可控調變。相關研究結果發表在2016年3月4日《科學》上。《科學》同期以 “令人驚奇的選擇性”為題刊發了專家評論和展望，稱贊該研究在原理上的突破將帶來在工業上的巨大競爭力。該研究并被產業界同行譽為“煤轉化領域里程碑式的重大突破”。
利用單分子構建電子器件對突破目前半導體器件微小化發展的瓶頸意義重大。實現可控的單分子電子開關功能是驗證分子能否作為核心組件應用到電子器件中的關鍵。自20世紀70年代以來，設計構筑穩定可控的單分子器件，探索其與微電子工藝的兼容性，并獲得真正意義上的分子電子開關，在當代納米電子學研究中具有重大的科學意義。北京大學北京分子科學國家實驗室郭雪峰研究組原創性地發展了以石墨烯為電極、通過共價鍵連接的穩定單分子器件的關鍵制備方法，解決了單分子器件制備難、穩定性差的難題。在此基礎上，他們與電子學系徐洪起研究組以及美國賓夕法尼亞大學Abraham Nitzan等合作，通過功能導向的分子工程學成功地克服了二芳烯分子與石墨烯電極間強耦合作用的核心挑戰性問題，從而突破性地構建了一類全可逆的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子器件。這項研究工作使得在中國誕生了世界首例真實穩定可控的單分子電子開關器件。石墨烯電極和二芳烯分子穩定的碳骨架以及牢固的分子/電極間共價鍵鏈接方式使這些單分子開關器件具有空前的開關精度、穩定性和可重現性，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。相關研究結果發表在2016年6月17日《科學》上。《科學》同期配發評述文章認為：“該研究展示了在納米尺度上對物質的精致控制”。
對于大多數材料體系而言，一般只需要考慮電子的量子化，原子核則被當作經典粒子來處理。然而，水中三分之二的原子是氫原子，由于氫原子核的質量很小，其量子效應會異常顯著。氫核的量子效應對水的氫鍵相互作用到底有多大影響？或者說氫鍵的量子成分有多大？被認為是揭開水的奧秘所需要回答的關鍵問題之一。由于氫核的量子化研究無論對于實驗還是理論都非常具有挑戰性，這個問題一直沒有得到很好的解答。北京大學物理學院王恩哥和江穎研究組與合作者，在相關實驗技術和理論方法上分別取得突破：發展了一套“針尖增強的非彈性電子隧穿譜”技術，獲得了單個水分子的高分辨振動譜，并由此測得了單個氫鍵的強度；開發了基于第一性原理的路徑積分分子動力學方法，實現了對電子量子態和原子核量子態的精確描述。基于此，他們在國際上率先測定了氫鍵的量子成分，首次在原子尺度揭示了水的核量子效應。研究結果表明，氫鍵的量子成分可遠大于室溫的熱能，氫核的“非簡諧零點運動”會弱化弱氫鍵，強化強氫鍵，這個物理圖像對于各種氫鍵體系具有相當的普適性。該工作是對“氫鍵的量子成分究竟有多大”這一物質科學基本問題的首次定量解答，澄清了學術界長期爭論的氫鍵的量子本質，將有助于理解水和其他氫鍵體系的很多反常特性。相關研究結果發表在2016年4月15日《科學》上。該研究被審稿人評價為“氫核量子效應研究的實驗杰作”；核量子效應研究領域權威專家德國的Dominik Marx教授認為該工作“完成了難以置信的任務”。
2015年度“中國高等學校十大科技進展”項目揭曉
二氧化碳＋水＝液態烴燃料 氧氣作為副產品
來源：科技部。編輯：明軒
