跨领域，谁与争锋，深度了解新晋欧洲科学院冯新亮院士

Alisa 5年前 (2019-05-15) 7123浏览

说到研究领域能够同时横跨有机合成、聚合物、无机材料和能源科学的80后科学家，领域内的科研工作者们一定会想到冯新亮教授课题组。这不，因为冯教授在刚刚过去的四月成功当选欧洲科学院院士。在这里，笔者精选十篇冯教授课题组在过去一年的发表在顶级期刊的工作，带领大家了解冯教授课题组的创新性研究成果。

80后欧洲科学院院士成长史

在这里，首先向大家简要介绍一下冯新亮教授。冯新亮教授是德国德累斯顿工业大学和上海交通大学讲席教授，“长江学者”讲座教授， 2019年入选欧洲科学院材料科学部院士。冯教授于2001年获得中国地质大学学士学位，2004年获得上海交通大学硕士学位，同年赴德国马普高分子研究所深造，2008年获博士学位。因在石墨烯研究领域的突出贡献，他与德国科学家Klaus Müllen共同获得了德国2017年度汉堡科学奖。此外冯教授还担任欧盟“石墨烯旗舰”计划大项副首席科学家，Advanced Materials，Journal of Materials Chemistry A，Chemistry-An Asian Journal，Energy Storage Materials，Small Methods，Materials Chemistry Frontiers，ACS Applied Electronic Materials 等杂志的顾问委员会委员, 编辑委员会委员和国际咨询委员会委员。

冯教授课题组主要致力于芳香耦联的有机合成方法学，共轭π-体系分子的有机设计和合成，基于π-体系分子的超分子化学，二维纳米石墨烯的合成研究，基于石墨烯的维纳米能源材料和电子器件研究，基于石墨烯电极材料在太阳能电池和场效应晶体管器件的应用研究，有机和高分子多孔材料的合成和应用研究,可控纳米结构功能碳材料、有机/无机杂化材料的设计合成及其在能源储存和转化的应用研究。目前在Nature、Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等发表论文400多篇， SCI引用>40000次，H-index因子>100，入选化学和材料领域高引用科学家。

石墨烯分子的有机合成—石墨烯纳米带

通过使用低苯乙烯和聚苯乙烯前驱体，通过在分子内氧化环脱氢反应下，可以合成具有原子级别精确结构的纳米石墨烯和石墨烯纳米带。这种 “自下而上”合理策略的最大优势是可以通过调节分子大小、边缘结构或适当杂原子的掺入来调整石墨烯的能量间隙。纳米石墨烯中，具有锯齿形边缘的并苯（acene）和n-peri-acene (n-PA) (图1a)是有机场效应晶体管、有机发光二极管和有机自旋电子学等的潜在候选材料。由于化学稳定性差，以溶液为基础合成n-PA一直是个很大的挑战。在2018年，冯新亮教授课题组发表在JACS上的一篇工作，发现用适当的苯基取代基对锯齿状外围进行空间保护可以高效在传统的有机溶剂中合成4-PA。冯教授课题组报道的溶液法方法合成的4-PA具有单线双自由基的特征，同时显示出优良的持久稳定性，其半衰期约为3小时。紫外-近红外光谱和电化学测量表明其具体较小的光学/电化学能隙（1.11 eV）。

文献链接:M. R. Ajayakumar, Y. Fu, J. Ma, F. Hennersdorf, H. Komber, J. J. Weigand, A. Alfonsov, A. A. Popov, R. Berger, J. Liu,* K. Müllen, X. Feng*.Toward Full Zigzag-Edged Nanographenes: peri-Tetracene and Its Corresponding Circumanthracene.J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 6240−6244.

图1

（a）各类分子石墨烯的结构；（b）sp²-碳连接的COF 的结构；（c）和（d）半导体MOFs的结构和投射电子显微镜图。

sp²-碳连接的共价有机框架材料—新型COFs

冯教授课题组特别强调从分子水平的层面进行科学研究。比如早在2016年，课题组通过Knoevenagel缩合反应，首次报道合成了二维 sp²-碳连接的共轭聚合物（2D CCP）。与传统的二维共轭聚合物框架相比，二维CCPs具有较高的化学稳定性和增强的离域电子结构。基于此，课题组在2019年将具有氧化还原活性的hexaazatrinaphthalene (HATN)引入到了二维 sp²-碳连接的共轭聚合物中（图1b）。而且，该氧化还原活性的2DCOF被成功的应用到了有机锂电池的正极材料。这项工作丰富了sp2-碳连接的2D CCP家族，预计该材料未来在有机电子领域和能量储存及转换领域具有极大的应用前景。

文献链接: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.

金属有机框架新应用---半导体MOFs潜力无限

不断开拓化学新领域并尝试发现十分具有价值的新材料和新应用也是冯教授一直秉持的科学原则（参考Wiley名人访谈 | 冯新亮教授专访）。2018年， Nature Materials 报道了冯教授课题组在半导体二维金属有机框架的最新研究。众所周知，目前报道的大多数MOFs都具有绝缘特性。近年来，通过调节MOF中的长程结晶顺序，以及有机和无机成分之间的耦合，科学家成功的开发出来了导电MOF作为新一代电子材料。但是，导电MOF中电荷传输的性质仍然难以捉摸。冯教授课题组报了一种全光学，无接触可以研究MOF电荷传输的技术---Time-resolved太赫兹光谱(TRTS)。使用该技术，在π–d 共轭的MOF (Fe₃(THT)₂(NH₄)₃)(图1c)观察到了Drude-type的带状运输。而且该半导体MOF具有约0.25 eV的直接红外带隙和超高的电荷载流子迁移率（220 cm²V^-1s^-1）。

文献链接: 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.

图2: 电化学的方法剥离黑磷的示意图和基于二维黑磷纳米片的场效应晶体管。

二维无机材料的高效剥离—电化学剥离法

电化学剥离二维无机材料也是冯教授课题组近年来非常具有代表性的工作。2018年德国应用化学报道了冯教授课题关于一种非氧化策略下的电化学剥离黑磷的工作。在无氧的非水TBA·HSO₄/碳酸丙烯酯(PC)电解质中，施加电压可以导致季铵盐阳离子的嵌入到黑磷层间（图2）。于此同时，负离子HSO₄^–释放氢离子产生PC溶剂化的质子，接下来的溶剂化氢离子也嵌入其层间，并还原产生H₂，进一步增加两个相邻的BP层的距离，最终达到剥离的效果（图2）。该方法的剥离率可达78%，得到的二维黑磷薄片尺寸可达20.6 微米。场效应晶体管测试表明该方法制备的黑磷薄片具有很高的空穴迁移率（252 ±18 cm²V^-1s^-1）。

文献链接: 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-FreeHigh-Mobility Black Phosphorus Flakes.Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 4677–4681.

同一年，课题组还报道了无氟的电化学刻蚀的方法制备了二维Ti₃C₂T_x纳米片的工作。在1 M NH₄Cl 和0.2M羟化四甲铵(TMA·OH)混合电解质中，Ti₃AlC₂同时作做阴极和阳极。当施加5V电压下，氯离子可快速腐蚀铝和从而打破钛铝键，随后的混合电解质中的氢氧化铵(NH₄OH)的插入可蚀刻阳极的边缘。在室温下，阳极(Ti₃AlC₂)可以在5小时左右被完全腐蚀。90%以上的剥落材料为单层或双层Ti₃C₂T_x纳米片，其平均横向尺寸超过2微米。该电化学刻蚀的方法优于传统基于HF的蚀刻工艺。

文献链接: 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.

图3: 正负极极性可换的双石墨电池的工作原理图

充电电池新思路---极性可换的双石墨电池

多功能电池的安全性在极端条件下的安全性目前还很难保证。目前，很少有电池能在充电过程中忍受电池正极和负极的极性混淆，而这弄混极性又是可充电电池常见的错误操作。基于此，冯新亮教授课题组介绍了一种基于锂离子和阴离子插层的极性可调的双石墨电池（图3）。石墨独特的氧化还原两性插入行为允许改石墨电池可以在正极和负极之间可逆切换，从而实现了极性可换的对称石墨电池。而且，该电池在极性切换过程中，石墨正极和负极都可以被进一步活化，从而带来了更高的容量和更快的氧化还原反应动力学。因此,该石墨电池的最大功率密度可达8.66 kW kg⁻¹,最高能量密度可达 227 Wh kg⁻¹，优于其他对称的电池和双离子电池。

文献链接: 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.

高效电催化剂的构筑-单原子催化剂

开发低成本的电催化剂取代贵金属铱基材料是析氧反应(OER)的关键。在此，课题组报告了原子级分散镍与氮和硫配位的多孔碳纳米片做为高效的OER电催化剂（图4）。该单原子催化剂是在900℃的Ar气氛中,通过解反应电化学剥落石墨烯薄片上生长的三元双氰胺噻吩镍盐前驱体，并经酸浸处理后制备。该单原子电催化剂具有很高OER性能，在10 mA cm^-2时仍然具有1.51 V的低过电位和45 mV dec^-¹的塔菲尔斜率，优于所有报道的过渡金属或者杂原子掺杂的碳催化剂，甚至是优于碱性介质中的商业Ir/C基催化剂除OER以外，该催化剂在电化学二氧化碳还原和电化学固氮方向也有潜在的应用前景。

文献链接: 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.

图4:原子级分散的镍与氮和硫配位的多孔碳纳米片单原子催化剂及其结构的表征和模拟。

此外，冯新亮教授还撰写了很多篇高水平的二维材料及其在电化学电容器应用方面的综述，深入的从化学的角度出发，分析了二维材料的结构与其电化学功能的联系，在此，分享三篇影响力较高的相关综述。谨以此文表达对冯教授的尊敬，并感谢其对二维材料及能源存储和转化领域做出的贡献。如有描述不当，欢迎指出。

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

文献链接: 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.

文献链接: M. Yu, X. Feng*.Thin-Film Electrode-Based Supercapacitors.Joule2019, 3, 338–360.

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本文由Hamborg供稿