一项成果被引一万多次！他，刚刚获得国家自然科学一等奖！
催化计
2021-11-04
昨日，2020年度国家科学技术奖励大会在北京举行。2020年度国家科学技术奖共评选出264个项目、10名科技专家和1个国际组织。其中，中国航空工业集团有限公司顾诵芬院士和清华大学王大中院士分获国家最高科学技术奖。2020年度国家科学技术奖共评选出264个项目、10名科技专家和1个国际组织。其中，国家自然科学奖46项，一等奖2项，二等奖44项；国家技术发明奖61项：一等奖3项，二等奖58项；国家科学技术进步奖157项：特等奖2项，一等奖18项，二等奖137项。有8位外国专家和1个国际组织获中华人民共和国国际科学技术合作奖。分量最重的国家最高科学技术奖颁给了中国航空工业集团有限公司顾诵芬院士和清华大学王大中院士。2000年至2019年，国家自然科学奖一等奖仅授予13项成果，且有九年出现空缺，其重要性可见一斑。复旦大学赵东元院士领衔完成的“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”项目，获2020年度国家自然科学奖一等奖。项目团队成员还包括复旦大学李伟教授、邓勇辉教授、张凡教授。中国科学院大连化学物理研究所包信和院士领衔完成的“纳米限域催化”项目获得了2020年度国家自然科学奖一等奖。项目团队成员还包括中科院大连化物所潘秀莲研究员、傅强研究员、邓德会研究员。下面，我们对赵东元院士团队的部分最新成果，作简要介绍。有鉴于此，催化计编辑部简要总结了赵东元院士课题组2021最新及2020年部分研究成果，供大家交流学习。1）由于相关论文数量较多，本文仅限于通讯作者论文，如有重要遗漏，欢迎留言补充。2）由于学术有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。
1. 功能介孔材料界面组装及应用 | Chem. Rev.
功能性介孔材料由于其独特的性能和潜在的应用而受到了极大的关注。近几十年来，胶束和骨架前驱体在液-固、液-液和气-液界面上自组装形成介孔材料已在构建具有不同成分、形态、介孔结构和孔径的功能性介孔材料中得到了探索。与单相溶液合成方法相比，在合成系统中引入两相界面改变了胶束和骨架物种之间的自组装行为，从而为按需制造独特的介孔结构提供了可能性。此外，控制界面张力对于操纵自组装过程进行精确合成至关重要。特别是，最近基于“单胶束”组装机制概念的突破对于合成具有精确控制的功能性介孔材料非常有前景和兴趣。
有鉴于此，复旦大学赵东元院士和李伟教授等人，重点介绍了过去 10 年来用于功能性介孔材料定向界面组装的宏观、微观和纳米尺度的合成策略、原理和界面工程。讨论了在吸附、分离、传感器、催化、储能、太阳能电池和生物医学等各个领域的潜在应用。最后，提出了未来该领域存在的挑战、可能的方向和机遇。Linlin Duan et al. Interfacial Assembly and Applications of Functional Mesoporous Materials. Chem. Rev., 2021.DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00236https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c002362. 有机-无机竞争包覆策略合成空心Fe3O4@C纳米球用于锂电 | Nature Communications可充电锂离子电池（LIB）被认为是便携式电子产品和电动汽车最重要的电源来源。近来，随着人们对开发高能量密度，长循环寿命和低成本的新一代LIB需求不断增长，主要需要解决的关键问题是创建高容量和超稳定的电极材料。在这方面，由于过渡金属氧化物和硅具有很高的理论容量，被认为是下一代LIB的最具希望的候选者。然而，比容量的增加通常伴随着基于它们转化型锂存储机制的诸多挑战，例如大的体积变化和低的电子/离子电导率。实际上，在快速充电和放电的情况下，剧烈的体积变化比其他问题更具致命性，这将导致不稳定的固体电解质中间相（SEI）膜的形成，严重的电极粉碎和电接触损失，从而加速放电容量衰减甚至电池的安全问题。有鉴于此，来自于复旦大学的赵东元院士和李伟教授受椰子结构的启发，设计了一种四氧化三铁-碳（HGFe3O4@C）纳米球空心梯度结构，用作超快，稳定的锂离子电池阳极。将均匀梯度结构的Fe3O4 @ C纳米球用作锂离子存储的阳极时，可获得高达750 mAh g-1的可逆容量，这是远高于蛋黄结构的Fe3O4 @ C（350 mAh g-1）和空心混合结构的Fe3O4@C（330mAh g-1）纳米球。在电流密度为10 A g-1 循环10,000次后，库伦效率也高达99.0％。即使以20 A g-1的超大电流密度下，循环10000圈后，容量仍可维持在500 mAh g-1。该独特的梯度结构可以有效地缓解由于体积急剧变化而引起的应力集中，Fe3O4@C纳米球的体积变化可以限制在~22％，径向膨胀为~7％，并在快速充电和放电过程中表现出出色的稳定性。Xia, Y., Zhao, T., Zhu, X. et al. Inorganic-organic competitive coating strategy derived uniform hollow gradient-structured ferroferric oxide-carbon nanospheres for ultra-fast and long-term lithium-ion battery. Nat Commun 12, 2973 (2021). https://www.nature.com/articles/s41467-021-23150-8
3. 精确设计的介观TiO2用于高体积密度赝电容 | JACS
表面氧化还原赝电容能实现较短的充电时间和较高的功率输送，具有广泛的应用前景。为了实现最大的比容量，高比表面积的活性材料的纳米结构是必不可少的。然而，电容材料的一个关键问题是由于纳米材料的振实密度较低，其体积容量较低。有鉴于此，复旦大学赵东元院士，厦门大学魏湫龙报道了设计了一种介观TiO2微球阳极，其中圆柱形TiO2纳米晶从微球中心径向排列，导电碳分布在整个介观结构框架中。通过这种设计，介孔TiO2微球的振实密度实现了可控（1.1-1.7g·cm3），并且由于这种节省空间的填充而比初级单个纳米颗粒高几倍。同时，中尺度的TiO2微球也为有效的电解质进入提供了高度可及的表面积，并且通过构建微米尺度的径向排列的扩散路径来实现法拉第氧化还原。这种同时具有快速电荷存储动力学和致密填充纳米结构的方案在单一材料中实现了最佳的重量和体积容量。有序介孔结构TiO2阳极在0.025 A g−1时表现出高的重量容量（高达240 mAh g−1）和高体积容量（高达350 mAh cm−1），并且具有主要的赝电容贡献（在1 mV s−1的低扫描速率下超过77.5%）。通过精确控制有序介孔TiO2的合成，研究人员进一步研究了介孔对电容型TiO2材料电荷储存性能的影响。在高负载量（9.47mg cm−2）下，该介孔TiO2电极仍表现出赝电容性质，其面容量高达2.1mAh cm−2，并保持了良好的电化学性能。Kun Lan, et al, Precisely Designed Mesoscopic Titania for High-Volumetric-Density Pseudocapacitance, J. Am. Chem. Soc., 2021DOI: 10.1021/jacs.1c03433https://doi.org/10.1021/jacs.1c03433
4. 高稳定性单胶束合成超细单分散的杂化纳米颗粒 | AM
有机-无机杂化的超细纳米粒子在众多应用中具有重要的作用。在过去的三十年里，尽管人们在合成有机或无机超小纳米颗粒方面进行了大量研究，但关于超细的有机-无机杂化纳米颗粒的研究还很少。近日，复旦大学赵东元院士，李伟教授报道了采用简单的热动力学介导法合成了一类粒径均匀、单分散的超小杂化纳米颗粒。含有两亲性ABC三嵌段共聚物的热动力学介导单胶束由于其固化的聚苯乙烯核而结构坚固，并赋予它们超高的热力学稳定性，这是使用Pluronic表面活性剂胶束（如F127）难以实现的。这种极高的稳定性与核-壳-冠结构相结合，使单分散胶束成为精确合成尺寸高度均匀的超小杂化纳米粒子的可靠模板。实验结果表明，所制得的胶束/SiO2杂化纳米颗粒具有超细尺寸、良好的均匀性、单分散性和可调的结构参数（直径24-47 nm，薄壳厚度2.0-4.0 nm）。值得注意的是，这种方法对于构建各种多功能超小混合纳米结构是通用的，包括有机/有机胶束/聚合物(聚多巴胺)纳米颗粒、有机/无机胶束/金属氧化物（ZnO, TiO2, Fe2O3）、胶束/氢氧化物（Co(OH)2）、胶束/贵金属（Ag）和胶束/TiO2/SiO2杂化复合材料。作为概念验证，所合成的超小胶束/SiO2杂化纳米颗粒作为仿生材料具有优异的韧性。Zaiwang Zhao, et al, General Synthesis of Ultrafine Monodispersed Hybrid Nanoparticles from Highly Stable Monomicelles, Adv. Mater. 2021
DOI: 10.1002/adma.202100820https://doi.org/10.1002/adma.202100820多孔聚合物和碳纳米材料由于其独特的特性（例如大表面积，高孔隙率，轻便以及良好的热和机械稳定性）而备受关注，这些独特的结构特性使其在催化，生物医学，能量存储，传感器，吸附，分离中表现出巨大的应用。但是，在常见合成方法中，材料的结构很难达到有效地控制，并且大多数生成的介孔碳纳米球 （MCS） 仅限于单级孔结构。而具有多级孔结构的MCS可以带来改善的或新的物理化学性质。尤其是在复杂的双级介孔中，这种结构不仅可以显着增加反应物可到达的活性位点，而且还可以控制反应在独立的介孔孔道内发生。目前，由于前驱体组分的自组装能力弱以及受组装过程中胶束结构的不可调节的限制，具有复杂的多级孔结构的介孔纳米球的合成仍然是一个巨大的挑战。有鉴于此，复旦大学赵东元院士、李伟教授等人报道了一种可编程的剪切诱导动态组装方法，以合成具有可调核-壳结构的径向梯度结构的介孔碳纳米球。以三嵌段共聚物F127作为软模板，1、3、5-三甲苯（TMB）小分子作为介体，乙醇/水混合物为溶剂，多巴胺（DA）分子作为氮源和碳源，通过可编程的剪切诱导动态组装方法，以及在N2中煅烧，合成了具有独特梯度孔的介孔碳纳米球。这一梯度孔MCS在钠电池中表现出了优异的电化学性能，可以归因于其独特的特性。首先，径向定向的3D开孔结构使电解质能够轻松地从所有方向渗透梯度孔MCS的整个区域，从而极大地改善了电解质的扩散和活性位点的实用性。第二，独特的中孔核-壳结构不仅可以提供更多的内部空间来增强电解质的储存和润湿性，而且还可以缓冲在Na+ 嵌入过程中导致的碳骨架体积膨胀。第三，小粒径和薄孔壁可以显著改善电子传递，并使电极具有密集的堆积。第四，由于N原子具有良好的供电子性，碳骨架中均匀的N掺杂会大大增加电子的离域作用，从而形成大量的Na+ 储存化学活性位。Wei Li et al. Programmable synthesis of radially gradient-structured mesoporous carbon nanospheres with tunable core-shell architectures. Chem, 2021, 7, 4, 1020-1032.DOI: 10.1016/j.chempr.2021.01.001https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.01.001
6. 碳质有序介孔纳米线及其异质结构膜用于渗透能转换 | JACS
使用可再生生物质衍生的功能材料从盐度梯度中获取可持续能量，已经引起了人们的极大关注。为了将渗透能转化为电能，人们开发了许多具有纳米流体通道的膜材料。然而，传统膜成本高、制备工艺复杂、输出功率密度低等问题严重阻碍了其实际应用。近日，复旦大学赵东元院士，孔彪研究员，浙江大学王勇教授报道了以核糖为碳源，Pluronic三嵌段共聚物F127为软模板，聚电解质聚(4-苯乙烯磺酸-马来酸)钠盐（PSSMA）和1,3,5-三甲苯（TMB）为结构导向剂，采用一种简单高效的软模板HTC方法首次成功地制备了由纳米纤维阵列组装而成的各向异性碳质有序介孔纳米线（CMWs）。通过高效的一步顺序超组装HTC策略能够产生各种尺寸可调的基于纳米纤维阵列的CMWs。CMWs的长度可以从约600 nm调节到4.2 μm，而直径从约220 nm减小到110 nm，而长径比从3变到39。此外，通过真空过滤的方法可以在阳极氧化铝（AAO）表面构建致密的CMWs膜，从而形成CMWS/AAO异质结构膜。由于具有新颖的结构、孔隙率和丰富的官能团，不对称CMWS/AAO异质结构膜具有良好的阳离子选择性，这使得该纳米流体器件在人工海水和河水中具有高达2.78 W m−2的高功率密度。Lei Xie, et al, Sequential Superassembly of Nanofiber Arrays to Carbonaceous Ordered Mesoporous Nanowires and Their Heterostructure Membranes for Osmotic Energy Conversion, J. Am. Chem. Soc., 2021DOI: 10.1021/jacs.1c00547https://doi.org/10.1021/jacs.1c00547
7. 一维介孔材料的表面限域缠绕组装 | JACS
弯曲和折叠是一维纳米材料的重要立体几何参数，但其精确控制一直是一个巨大的挑战。近日，复旦大学赵东元院士，李晓民教授报道了一种表面约束缠绕组装策略来调节均匀的一维介孔SiO2（mSiO2）纳米棒的立体结构。基于这种全新的策略，一维mSiO2纳米棒可以缠绕在三维预制纳米粒子(球形、立方体、六边形圆盘、纺锤形、棒状等)的表面。并继承它们的表面拓扑结构。因此，直径为50 nm、长度可变的mSiO2纳米棒可以弯曲成半径和弧度可变的弧形，也可以折叠成60、90、120和180°的凸角，折叠时间可控。此外，与传统的核/壳结构相比，这种缠绕结构导致预制纳米颗粒的部分暴露和可获得性。该功能纳米颗粒具有较大的可及表面积，并能与周围环境进行有效的能量交换。作为概念验证，制备了由100 nm的CuS纳米球和直径为50 nm的一维mSiO2纳米棒缠绕在纳米球周围的具有缠绕结构的CuS&mSiO2纳米复合材料。实验结果表明，由于光热转换效率的大大提高(提高了～30%)，缠绕结构纳米复合材料的光声成像强度是传统的核/壳纳米结构的4倍。Tiancong Zhao, et al, Surface-Confined Winding Assembly of Mesoporous Nanorods, J. Am. Chem. Soc., 2020DOI: 10.1021/jacs.0c08277https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c08277
8. 利用三聚氰胺-甲醛树脂制备的单分散超高氮含量介孔碳纳米球 | Small Methods
介孔碳纳米球具有高热稳定性、良好的导电性及较短的传输路径等优点，在催化、吸附和储能等领域具有广泛的应用。在碳骨架中引入杂原子，例如氮原子，可以有效提高碳材料自身的物理化学性质。然而，目前所报道的介孔碳纳米球的氮含量普遍较低。因此，制备高含氮介孔碳纳米球仍然是一项巨大的挑战。有鉴于此，复旦大学的赵东元院士等人，通过水相乳液聚合自组装的方法成功合成了超高氮含量（15.6 wt%）的单分散介孔碳纳米球。由于在热解过程中三嗪稳定在共价聚合物网络中的独特结构，制备的介孔碳纳米球在800℃热解后仍具有超高的含氮量(可达15.6% wt%)，是介孔碳纳米球中含氮量最高的。此外，这些单分散的介孔碳纳米球具有高表面积（≈883m2 g-1）和大孔径（≈8.1nm）。作为钠离子电池的阳极，超高含氮介孔碳纳米球具有出众的倍率性能（在3 A g-1的高电流密度下为117 mAh g-1）和高可逆容量（在0.06 A g-1时为373 mAh g-1），是一种很有前途的能量存储材料。Dingyi Guo et al. Monodisperse Ultrahigh Nitrogen‐Containing Mesoporous Carbon Nanospheres from Melamine‐Formaldehyde Resin. Small Methods, 2021.DOI: 10.1002/smtd.202001137https://doi.org/10.1002/smtd.202001137除此之外，赵东元院士课题组在孔材料可控合成及其在电化学、催化转化、生物医药、水处理等方面还发表了一系列成果，由于内容较多，在此不一一列出。感兴趣的读者可前往课题组网站学习。http://www.mesogroup.fudan.edu.cn/很多学生发邮件请教他：到底具备什么条件，才能进您的实验室工作？赵东元回：没有别的，我唯一的条件就是你要爱科学，要有志于成为一名科学工作者。“科研需要你沉浸，需要你喜欢。能进复旦的学生，无论文科理科，我相信智力全都够了，剩下的就看你是否真的喜欢。喜欢，就能迸发出无穷的力量。只要沉静下来去思索，去刨根问底，总有一天会得到回报。”他说。在育人这件事上，赵东元从不为学生设限。平时指导学生科研，他会给个大方向，但不会告诉学生具体怎么去做，鼓励学生自由探索，后面会经常给予建设性的建议。除了带研究生之外，赵东元还坚持为本科生上《普通化学》17年。一周两次课，他几乎从未缺席，即使前一天还在外地开会，也一定连夜飞回来。“复旦是中国人的品牌。习近平总书记说要把论文写在祖国大地上，但到底怎么写在祖国大地上？作为科学家，我认为科学无国界，但科学家有自己的祖国和文化。尤其是基础科研人员，应该在更多的研究领域用中国人的名字命名，来弘扬中国人的自信。”赵东元期待着，未来有越来越多中国人的名字，出现在学生们的教科书上。
赵东元，男，汉族，1963年6月出生于辽宁沈阳，物理化学家，中国科学院院士 、第三世界科学院院士，复旦大学化学系教授、博士生导师 ，复旦大学先进材料实验室主任 。现任复旦大学党委常委、统战部部长。赵东元教授1999年入选国家教育部“跨世纪优秀人才计划”，2000年获得“国家基金委杰出青年”称号和教育部陈香梅教育基金第二届优秀教师奖；2002年获上海市科协首届科技英才和上海市自然科学牡丹奖；2004年在获得中国科协中国青年科技奖同时，他以课题“有序排列的纳米多孔材料的合成与组装”的第一完成人获得了国家自然科学二等奖；2005年获杜邦奖（DuPont Young Professor Award）和全国劳动模范称号；2006年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。2005年作为学术带头人获得国家自然科学基金委员会创新研究群体基金 ；2006年入选新世纪百千万人才工程国家级人选；2007年当选为中国科学院院士；2010年当选为第三世界科学院院士；2017年获得第一届中国分子筛成就奖 ；2021年11月，获国家自然科学奖一等奖。（注：以上简介及文中海报整理自复旦大学官网及赵东元院士课题组网站）
