今日，2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在北京舉行。2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)共評(píng)選出264個(gè)項(xiàng)目、10名科技專家和1個(gè)國(guó)際組織。其中，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司顧誦芬院士和清華大學(xué)王大中院士分獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。
2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)共評(píng)選出264個(gè)項(xiàng)目、10名科技專家和1個(gè)國(guó)際組織。其中，國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)46項(xiàng)，一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)44項(xiàng)；國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)61項(xiàng)：一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)58項(xiàng)；國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)157項(xiàng)：特等獎(jiǎng)2項(xiàng)，一等獎(jiǎng)18項(xiàng)，二等獎(jiǎng)137項(xiàng)。有8位外國(guó)專家和1個(gè)國(guó)際組織獲中華人民共和國(guó)國(guó)際科學(xué)技術(shù)合作獎(jiǎng)。分量最重的國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)?lì)C給了中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司顧誦芬院士和清華大學(xué)王大中院士
2000年至2019年，國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)僅授予13項(xiàng)成果，且有九年出現(xiàn)空缺，其重要性可見一斑。
復(fù)旦大學(xué)趙東元院士領(lǐng)銜完成的“有序介孔高分子和碳材料的創(chuàng)制和應(yīng)用”項(xiàng)目，獲2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員還包括復(fù)旦大學(xué)李偉教授、鄧勇輝教授、張凡教授。
中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所包信和院士領(lǐng)銜完成的“納米限域催化”項(xiàng)目獲得了2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員還包括中科院大連化物所潘秀蓮研究員、傅強(qiáng)研究員、鄧德會(huì)研究員。
下面，我們對(duì)趙東元院士團(tuán)隊(duì)和包信和院士團(tuán)隊(duì)的部分最新成果，作簡(jiǎn)要介紹。
多孔材料學(xué)術(shù)QQ群：813094255多孔聚合物和碳納米材料由于其獨(dú)特的特性（例如大表面積，高孔隙率，輕便以及良好的熱和機(jī)械穩(wěn)定性）而備受關(guān)注，這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性使其在催化，生物醫(yī)學(xué)，能量存儲(chǔ)，傳感器，吸附，分離中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用。有效地設(shè)計(jì)和可控地合成具有明確的孔結(jié)構(gòu)和形態(tài)（例如，球形，纖維，棒，片和整料）的多孔聚合物和碳，特別是具有大孔徑，良好的流動(dòng)性和最小的體積比的介孔聚合物和碳納米球具有重大的科學(xué)技術(shù)意義。當(dāng)前的合成方法主要包括噴涂，滴注，膠體輔助組裝，改良斯托伯法，空間受限聚合，聚合物組裝和固相反應(yīng)等。但是，在這些合成方法中，材料的結(jié)構(gòu)很難達(dá)到有效地控制，并且大多數(shù)生成的介孔碳納米球 （MCS） 僅限于單級(jí)孔結(jié)構(gòu)。而具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的MCS可以帶來(lái)改善的或新的物理化學(xué)性質(zhì)。尤其是在復(fù)雜的雙級(jí)介孔中，這種結(jié)構(gòu)不僅可以顯著增加反應(yīng)物可到達(dá)的活性位點(diǎn)，而且還可以控制反應(yīng)在獨(dú)立的介孔孔道內(nèi)發(fā)生。目前，由于前驅(qū)體組分的自組裝能力弱以及受組裝過(guò)程中膠束結(jié)構(gòu)的不可調(diào)節(jié)的限制，具有復(fù)雜的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的介孔納米球的合成仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。有鑒于此，復(fù)旦大學(xué)趙東元院士、李偉教授等人報(bào)道了一種可編程的剪切誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)組裝方法，以合成具有可調(diào)核-殼結(jié)構(gòu)的徑向梯度結(jié)構(gòu)的介孔碳納米球。以三嵌段共聚物F127作為軟模板，1、3、5-三甲苯（TMB）小分子作為介體，乙醇/水混合物為溶劑，多巴胺（DA）分子作為氮源和碳源，通過(guò)可編程的剪切誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)組裝方法，以及在N2中煅燒，合成了具有獨(dú)特梯度孔的介孔碳納米球。圖2. 梯度孔介孔碳納米球的形貌和結(jié)構(gòu)表征
圖3. 梯度孔介孔碳納米球的形貌與結(jié)構(gòu)表征要點(diǎn)2. 介孔碳納米球的形貌和結(jié)構(gòu)表征所合成的聚多巴胺（PDA）介孔納米球大小比較均勻，粒徑～245 nm。介孔均勻地暴露在表面上，孔徑為9.0 nm。所合成的PDA納米球具有帶徑向梯度孔的核-殼結(jié)構(gòu)。它由內(nèi)核的球形中孔和外殼的圓柱形中孔組成。在N2氛圍中于800 攝氏度碳化后，很好地保留特定的介孔結(jié)構(gòu)，可以獲得均勻的梯度孔的MCS，粒徑減小為～230 nm。C和N原子均勻分布在材料中。氮吸附等溫線顯示典型的IV型曲線，在0.75/0.80和0.85-0.95的P/P0范圍內(nèi)有兩段毛細(xì)管冷凝步驟，清楚地表明了材料中的兩組介孔結(jié)構(gòu)，孔徑分別為9.0和24.0 nm。XPS定量分析表明，碳框架中N的含量為$ 6.7 wt％。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，本文提出了一種可編程的剪切誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)組裝機(jī)制，以說(shuō)明具有有趣的可調(diào)核-殼結(jié)構(gòu)的梯度孔MCS的合成。在這一過(guò)程中，首先通過(guò)將疏水性TMB添加到含有F127表面活性劑和DA前體的水/乙醇混合物中來(lái)形成兩相體系。F127/TMB/DA復(fù)合膠束是在高攪拌速率（500 rpm）下形成的，其中TMB分子由于其與聚氧丙烯（PPO）片段的強(qiáng)疏水作用而可以影響F127的自組裝。DA分子可通過(guò)堿性催化劑（NH4OH）進(jìn)一步聚合，并與大量的復(fù)合膠束組裝以形成介孔結(jié)構(gòu)的PDA，這是由于其與F127的聚氧乙烯（PEO）鏈段發(fā)生了氫鍵相互作用。通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌速度來(lái)控制剪切力，可以根據(jù)需要精確，動(dòng)態(tài)地控制膠束的大小。因此，通過(guò)設(shè)置按需攪拌模式，可以以編程方式進(jìn)行膠束的自組裝過(guò)程。當(dāng)將攪拌速度降低至低速率（300 rpm）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較小的膠束，并將其連續(xù)組裝在預(yù)成型的PDA納米球上，以形成雙介孔結(jié)構(gòu)。隨著組裝的進(jìn)行，小孔逐漸演變成圓柱形的介孔，形成了梯度孔核-殼結(jié)構(gòu)。在該步驟中，膠束在徑向上經(jīng)歷接觸，變形，合并和融合過(guò)程，以形成圓柱形結(jié)構(gòu)。碳化后，聚合物PDA納米球可以很容易地轉(zhuǎn)化為具有有趣的核殼結(jié)構(gòu)和徑向梯度孔的MCS。圖4. 梯度孔介孔碳納米球核殼結(jié)構(gòu)表征要點(diǎn)3. 電化學(xué)性能測(cè)試這一梯度孔MCS在鈉電池中表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，可以歸因于其獨(dú)特的特性。首先，徑向定向的3D開孔結(jié)構(gòu)使電解質(zhì)能夠輕松地從所有方向滲透梯度孔MCS的整個(gè)區(qū)域，從而極大地改善了電解質(zhì)的擴(kuò)散和活性位點(diǎn)的實(shí)用性。第二，獨(dú)特的中孔核-殼結(jié)構(gòu)不僅可以提供更多的內(nèi)部空間來(lái)增強(qiáng)電解質(zhì)的儲(chǔ)存和潤(rùn)濕性，而且還可以緩沖在Na+ 嵌入過(guò)程中導(dǎo)致的碳骨架體積膨脹。第三，小粒徑和薄孔壁可以顯著改善電子傳遞，并使電極具有密集的堆積。第四，由于N原子具有良好的供電子性，碳骨架中均勻的N摻雜會(huì)大大增加電子的離域作用，從而形成大量的Na+ 儲(chǔ)存化學(xué)活性位。研究機(jī)理表明，通過(guò)改變剪切力可以很好地調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的膠束結(jié)構(gòu)。更重要的是，可以通過(guò)建立按需攪拌模型以編程方式進(jìn)行合成過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)介觀結(jié)構(gòu)的智能組裝。介孔碳納米球粒徑小，比表面積大，氮源豐富，且具有放射狀的開孔結(jié)構(gòu)，因此，鈉離子儲(chǔ)存能力強(qiáng)，循環(huán)壽命超長(zhǎng)。這種簡(jiǎn)便的可編程組裝方法將為探索新型的復(fù)雜多級(jí)介觀結(jié)構(gòu)提供新的機(jī)會(huì)。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
