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2012-2013化学学科发展报告

定价:62.00
果脯价:41.50

作者:中国化学会 著 中国科学技术协会 编
出版社:中国科学技术出版社
出版日期:2014-02-01

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商品介绍

  • 版次:1
  • 页数:284
  • 出版时间:2014-02-01
  • 开本:16开
  • 纸张:胶版纸
  • 印次:1
  • ISBN:9787504665256

编辑推荐

学科发展报告:国家项目,科协重点推荐,学科最新发展情况!

内容简介

内容推荐
由中国化学会编著,介绍了化学学科发展情况,并对本学科的进展做了全面而准确的总结。学会对所负责的学科发展研究初稿进行研讨及学术交流后,为研究成果的最后完成提出实质性修改意见和建议。整套丛书的特点:第一,确保权威性,注重研究工作的质量,确保研究报告为反映各学科发展情况的最具权威性的指导性丛书;第二,体现前瞻性,学科涉及面较大的不要求面面俱到,应注重体现最新热点、前瞻和重大学术进展;第三,将2007年第四季度学科发展的内容纳入进去,做到严谨、完整;第四,时效性好;第五,整体性强。

目录

目录
序 .. 韩启德 
前言 .. 中国化学会 
综合报告 
化学进展
一、引言
二、近期国际化学领域的研究热点
三、近三年来中国化学科学的进展 
四、展望
参考文献
专题报告 
稀土材料与化学
锂离子电池与太阳能电池研究进展
有机发光材料与器件研究进展
环境催化学科进展
农药化学研究进展
二氧化碳的化学转化利用 
煤洁净转化与利用技术研究进展 
基础化学教育发展及研究 
附录 
目 录
ABSTRACTS IN ENGLISH 
Comprehensive Report 
Advances in Chemistry
Reports on Special Topics 
Rare Earth Materials and Chemistry
Recent Advances in Li-ion Batteries and Solar Cells 
Recent Advances in Organic Light-emitting Materials and Devices
Progress in Environmental Catalysis
Research Progress of Pesticide Chemistry 
Chemical Transformation and Utilization of Carbon Dioxide
Progress in the Clean Coal Conversion and Utilization Technologies
Development and Research of Secondary Chemistry Education
索引





在线试读部分章节
化学进展
一、引言
诺贝尔奖化学奖获得者 Harold Kroto 在回答“为什么还要学化学?” 这个问题时说,21
世纪最重要的前沿是生命科学和材料科学,二者都必须以分子科学为基础,而这正是化
学。化学是研究物质的结构、性能和转化过程的科学,也是创造新物质并发展新应用的科
学。化学学科的发展与人类社会的进步息息相关,它对于科学的进步以及人类物质生活水
平的提高都发挥了不可替代的作用。
世界正处于第六次科技革命的前夜,中国科学院院长白春礼号召:我们中国人要勇于
做第六次科技革命的领头羊[1]。
徐光宪院士在为《化学通报》2012 年第 75 卷第 1 期撰写的《热烈庆祝中国化学会成
立 80 周年》文章[2]中,提出了“大化学(广义分子科学)革命”的概念。并指出,大化
学革命是第六次科技革命的核心内涵之一。他指出,“大化学革命”与世界面临并迫切需
要解决的环境污染、能源短缺、温室效应、资源利用、材料创新、粮食短缺、生命奥秘和
社会安全等问题密切相关。
这些论述既为我们广大化学工作者指明了方向,提出了艰巨的任务和远大的奋斗目
标,也为我们提供了大有作为的广阔天地。自党的十一届三中全会提出改革开放以来的
35 年中,与国内各行各业一样,我国的化学科学步入了高速发展的盛世时期,尤其是近
年来,我国广大化学工作者更是取得了令世人瞩目的辉煌成就,涌现出了许多独特的创新
成果,发表的学术论文的数量和质量都有明显增加和提高,一大批科研成果已经在生产实
践中得到应用,对国家的经济社会可持续发展作出了巨大的贡献。可以毫不夸张地说,我
国已经成为在国际化学社会中彰显巨大影响的一支重要力量。
二、近期国际化学领域的研究热点
纵观近两年来在各种科技期刊上发表的化学类论文,不难看出,我们曾在《2010—
2011 化学学科发展报告》中列举的有机太阳电池、石墨烯、有机框架化合物(MOFs)等
依然是当前的研究热点。这些项目之所以会具有强大的生命力,显然是因为对它们的研究
将为人类提供新能源、储氢与用于二氧化碳综合利用和环境治理等方面的新材料以及在信
息、生命科学研究等领域具有重要应用价值的新型光电功能材料等。因此,可以认为这是
广大化学工作者对于能源与资源短缺、环境污染加重和温室效应以及经济社会可持续发展
等世界各国发展面临的重大挑战的积极回应。此外,这两年还出现了不少新的研究热点。
为了能够对国际上化学学科的发展动向和趋势有更具体的认识,我们统计了汤森路透
(Thomson Reuters)的 Science Watch 专栏发布的 2011 年和 2012 年最热门科学论文榜单,
以及 2012 年和 2013 年的化学名列前十的论文(Chemistry Top Ten Paper)数据。统计结果
表明共有 23 篇论文入选,以入围论文数排序,所涉及内容包括:太阳电池 11 篇(其中聚
合物太阳电池 9 篇、小分子太阳电池 1 篇、无机太阳电池 1 篇),石墨烯 8 篇,金属框架
化合物、锂离子电池、铁基超导体和金属催化各 1 篇。另外,在汤森路透 2013 年 4 月发
布的 2013 年研究前沿中,指出了化学与材料科学领域的十大研究前沿:增强的可见光光
催化制氢、钌或铑催化氧化 C-H 键活化、聚集诱导发光特性及化合物、有机合成中的光
氧化还原催化剂、对映选择性膦有机催化剂、纳米孔 DNA 测序、小分子溶液加工本体异
质结太阳电池、氮掺杂石墨烯、卷对卷制备聚合物太阳电池和用于锂离子电池阳极的硅纳
米线。本报告将从新能源、新材料、新反应和新现象等几个方面,介绍一些当前化学科学
家近两年发表的、并引起科学家们高度关注的研究成果。本节中所介绍的中外作者的论文
均选自该网站统计的热门论文。
(一)新能源——有机太阳电池
能源是经济社会发展的基础。随着世界各国对能源需求的不断加大,煤炭、石油等传
统化石能源面临枯竭的危机,寻找清洁、可再生的新能源成为人类社会发展的必然。
有机太阳电池因具有成本低、重量轻、可制备柔性器件等优点受到广泛关注。根据电
池材料的不同,有机太阳电池分为小分子太阳电池和聚合物太阳电池。目前,以聚合物或
小分子材料为给体、以富勒烯衍生物为受体制备的本体异质结有机太阳电池已成为一大研
究热点。
1. 小分子太阳电池
有机小分子太阳电池材料具有确定的分子结构和分子量,并且比较容易分离提纯,纯
度高,制备过程中有很好的批次稳定性,能实现大规模生产。然而,相较于聚合物太阳电
池,有机小分子太阳电池发展比较缓慢,文献报道的材料种类较少,电池的光电转换效率
也较低,因此关于有机小分子太阳电池的研究大都集中于提高电池的转换效率。
前已述及,小分子溶剂加工的本体异质结太阳电池是 2013 年化学和材料科学领域的前
沿课题之一。在 2007—2012 年间发表了 31 篇与此相关的核心论文,共被引用了 1841 次。
中国科学院化学研究所李永舫等设计合成了一种三维 D-A-D 共轭的有机小分子电子
给体,这种材料具有溶液加工性好、光吸收和电荷传输各向同性、吸收强而宽、高迁移率、
低 HOMO 能级等优点。用这种电子给体与 PC71BM 共混制备的全小分子太阳电池,在未
经任何后处理的情况下能量转换效率高达 4.3%,为当时同类型太阳电池的最高效率[3]。
2012 年 1 月,诺贝尔化学奖获得者 Alan J. Heeger 及其同事 Guillermo C. Bazan 等[4]报
道了一种高效、溶剂加工的本体异质结太阳电池,能量转化效率达到 6.7%,为当时文献
报道中的最高效率,其功率转换效率超过 7%。截至目前,此论文已被引用了 287 次(截
至 2013 年 10 月 21 日,下文如未特殊说明,文中所列被引用次数均截止到此日期)。
2013 年 5 月份,他们[5]在溶液加工的有机小分子太阳电池研究领域取得了又一次突
破,将电池的能量转换效率提高到了 8.01%,其填充因子(FF)达到 73%,是当时有机太
阳电池报道的最大值。
这些研究结果令溶液处理有机光电技术取得重大进步,不仅证实利用小分子制成的太
阳电池可与聚合物太阳电池一争高下,而且表明小分子太阳电池有望实现规模化生产。不
过,实验室的原型器件大都只有很小的工作面积,制成更大面积的电池后,是否仍能保持
这种转变效率,以及是否能达到工业规模的生产标准,这些都是小分子太阳电池依然面临
的问题。
2. 聚合物太阳电池
聚合物太阳电池具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等
突出优点,另外共轭聚合物材料种类繁多、可设计性强,通过材料的改性可以有效地提高
电池的性能。聚合物太阳电池具有重要发展和应用前景,成为国内外研究热点。Science
Watch 统计结果显示,共有 9 篇聚合物太阳电池的论文入选“热门论文”,占入选论文总
数的 39.1%,是入选论文数最多的研究方向。截至 2013 年 10 月 21 日,此 9 篇论文共被
引用了 3945 篇,篇均引用次数为 438 次。
在 Web of Science 中用“polymer solar cell(聚合物太阳电池)”为主题进行了检索,截
至 2013 年 10 月 21 日,全球共发表了 13127 篇相关论文。2004—2013 年每年发表的论文
数逐年增加,如图 1(a);按“国家和地区”来划分,贡献较大的 10 个国家列出在图 1
(b)中。从图 1 中不难看出,贡献最大的是美国,共发表了近 3000 篇相关论文,占总篇
数的 22.9%;紧跟其后的是中国大陆地区,共发表了 2511 篇,占总篇数的 19.1%;排在第
三位的是韩国,1447 篇占总篇数的 11.0%;其后依次是德国(1171 篇,占总篇数的 8.9%)、
日本(984篇,占总篇数的7.5%)、中国台湾地区(764篇,占总篇数的5.8%)、英国(746
篇,占总篇数的 5.7%)、印度(501 篇,占总篇数的 3.8%)、荷兰(475 篇,占总篇数的
3.6%)和法国(464 篇,占总篇数的 3.5%)。
为了进一步提高聚合物太阳电池的能量转换效率,化学家们一直致力于新材料的设
计。例如,芝加哥大学李刚和俞陆平等[6]报道了一种功率可与无机太阳能材料媲美的聚
合物太阳电池材料 PTB7,可最大限度地利用太阳能,采用 PTB7 与 PC71CM 共混膜制成
的本体异质结太阳电池的转换效率达 7.4%;2011 年 3 月,加拿大微结构科学研究所、拉瓦
尔大学和化学过程与环境技术研究所的科学家共同设计合成了一种二噻吩并硅杂环戊二烯
和噻吩并吡咯 -4, 6- 二酮的共聚物 PDTSTPD[7],它具有窄带隙(1.73eV)、低 HOMO 能级
(5.57eV)、较好的溶液加工性以及相对简单的合成过程等特点,用 PDTSTPD 与 PC71BM 共
混制备的太阳电池,能量转换效率也高达7.3%;北卡罗来纳大学教堂山分校的Wei You等[8]
报道了中等带隙氟取代共轭聚合物 - 富勒烯太阳电池效率达 7% 的结果,指出 2 个氟原子的
加入使聚合物 PBnDT-FTAZ 的空穴传输能力有了近 1 个数量级的提高,进而使器件的填充
因子、短路电流和能量转换效率都有了很大提高,随后,他们又用新的含氟聚合物与电子
受体材料共混用旋涂方法制成的本体异质结太阳电池的最高能量转换效率提高为 7.2%[9]。
通过调整聚合物太阳电池器件的结构组成也是提高器件能量转换效率的重要途径。华
南理工大学曹镛等通过在聚合物太阳电池活性层 - 电极(阳极和阴极)界面引入带有极性
基团的共轭聚合物薄层,使聚合物太阳电池中的载流子复合损耗大大降低,空间电荷限制
的载流子输运特性和载流子抽取特性得到改善,成功制备了效率达到 8.37% 的聚合物太阳
电池[10];在此基础上,2012 年他们通过在氧化铟锡表面引入水(醇)溶性共轭聚合物,
制备出可高效收集光生载流子的阴极,从而设计并实现了一种高效、新颖的倒置结构聚合
物太阳电池,并实现了 9.214% 的能量转换效率[11];2012 年 3 月,加州大学洛杉矶分校
(UCLA)杨阳等[12]报道了串型聚合物太阳能电池,其新的串联结构可以结合多个具有不
同的吸收频段的电池,使光电转换效率达到 8.62%。进一步,通过引入日本住友化学公司
开发的红外吸收高分子材料使电池装置的能量转换效率跃升至 10.6%,这是一个新的纪
录。这项研究开辟了一个新的方向,高分子化学家可以通过设计新材料,用于串联聚合物
太阳电池。杨阳指出,希望串联聚合物太阳电池能达到 15% 的效率,如果此目标得以实
现,那么聚合物太阳电池商用化就指日可待了,所以,此项结果的取得标志着聚合物太阳
电池在向实用化迈进中有了重要突破。
图 1 在 web of science 中搜索到的 2004—2013 年发表的有关聚合物太阳电池的论文
数量(a)以及在国家和地区的分布情况(b)
(注:2013 年数据截至 10 月 21 日)
(二)新材料——石墨烯
石墨烯是由 sp2碳杂化构成的二维材料,由于其具有的非常突出的电学、光学、热
学、力学、化学和电化学特性,在电子器件、太阳能电池、能量储存装置、传感器和非
均相催化、复合材料等很多方面呈现出很好的应用前景;在发现仅 6 年之后的 2010 年,
诺贝尔物理奖即授予发现石墨烯的两位科学家,也体现了科学界对这种新材料超乎寻
常的迅速认可。据 Science Watch 相关统计显示,共有 8 篇有关石墨烯的论文入选热门
论文,占入选论文总数的 34.8%,此 8 篇论文共被引用 3540 次,篇均被引用次数高达
442 次。
在 Web of Science 中用“Graphene(石墨烯)”为主题进行了检索,截至 2013 年 10 月
21 日,全球共发表了 33089 篇相关论文。2004—2013 年每年发表的论文数随年份呈指数
增长如图 2(a)所示,尤其是在 2010 年诺贝尔物理奖授予发现石墨烯的两位科学家后,
2011 年和 2012 年发表论文数分别达到 6040 篇和 8849 篇,其中 2012 年全年发表论文数
几乎是 2004—2010 年的 7 年间发表论文数的总和,是 2004 年的 55 倍。按“国家和地区”
来划分,贡献较大的 10 个国家列出在图 2(b)中。图 2(b)显示中国大陆地区和美国的
贡献最大,其中中国大陆地区共发表了 10113 篇,占到了发表论文总数的 30.56%。日本、
韩国和德国分别发表了 2531、2409 和 2023 篇论文,位居第三至第五位。
1. 制备方法
目前,石墨烯的制备和合成主要有微机械剥离法、氧化石墨烯还原法和化学气相沉积
法等方法。高质量石墨烯的大量合成、可控制备,特别是层数、边缘结构和面积等的调控
是石墨烯制备中尚未完全攻克的难点。
图 2 在 web of science 中搜索到的 2004—2013 年发表的有关石墨烯的
论文数(a)以及在国家和地区的分布情况(b)
(注:2013 年数据截至 10 月 21 日)
石墨烯可看做是由不含任何不稳定键的苯六元环通过 sp2杂化组合而成的二维晶体,
所以可以认为稠环芳烃是石墨烯的片段,将稠环芳烃通过一定方法组合在一起即可构成石
墨烯。瑞士联邦材料测试与开发研究所 Cai、上海交大冯新亮和德国马普研究所 Müllen 等
首次报道了自下而上化学可控宏量制备高质量、无缺陷且边缘结构确定的单根石墨烯纳米
带的方法。他们采用 Au(111) 和 Ag(111) 单晶表面作为基底,以 10,10′- 二溴 -9,9′-
联二蒽作为单体,通过脱卤素偶联进而发生环化脱氢作用,生成具有不同拓扑和宽度的、
精度达到原子级的石墨烯纳米带[13]。
目前,化学气相沉积法是制备高质量、大面积石墨烯的最主要途径。来自韩国、新加
坡和日本的科学家[14]利用卷到卷转移技术由化学气相沉积法在铜箔上积层碳材料制备出
30 英寸(1 英寸 =25.4 毫米,下同)单层石墨烯薄膜,并用此石墨烯制作出了柔性透明电
极。通过重叠 4 张该石墨烯薄膜制作的薄膜的性能比由普通 ITO 构成的透明电极更好。该
论文至今已被引用 1274 次,是入选论文里被引用最多的一篇。
2. 应用探索
尽管石墨烯具有高导电性和高比表面积等适合于做超级电容器的特点,然而基于石
墨烯纳米材料的超级电容器的电容性能并不能令人满意。不过石墨烯与无机材料组合成
的复合材料的性能得到大幅度提高,在超级电容器领域具有广阔的应用前景。南京理工
大学汪信等[15]报道了可在水 - 异丙醇体系中采用简单的软化学路线组装而成的氧化石
墨烯 - 二氧化锰纳米复合材料,其电化学性质可通过氧化石墨烯和二氧化锰的化学作用
得到加强。以所得复合材料作电极所组成的超级电容器在 1mol/L Na2SO4电解液、电流
为 200mA/g 时,比电容达 197.2F/g。美国德州大学奥斯汀分校 Rodney Ruoff 等[16]利用
KOH 对石墨烯进行化学修饰重构,形成多孔结构,得到的超级电容的储能密度接近铅酸
电池。
石墨烯特殊的导电性能使其在光催化领域中有潜在的应用价值。国家纳米科学中心
宫建茹等[17]制备了石墨烯 - 硫化镉复合物,在可见光(≥ 420nm)照射下进行了光催化
分解水产氢的实验,发现石墨烯的加入可增大硫化镉的比表面积,增加光催化反应的活性
位,且将反应扩展到了石墨烯表面;更重要的是,石墨烯的导电性能可极大地减小硫化镉
半导体表面上光生电子和空穴的复合率,延长光生载流子的寿命,从而提高了产氢速率,
为相同条件下制备得到的纯硫化镉颗粒提高了将近 5 倍。该研究揭示了石墨烯基复合物在
解决能源环境问题方面具有重要的应用价值。
氧化还原反应的催化剂是在可再生能源的关键技术,包括燃料电池和水分解。尽管经
过了巨大的努力,开发低成本高活性氧电极催化剂仍然是一个巨大的挑战。斯坦福大学化
学系戴宏杰等[18]报道了一种由 Co3O4纳米晶体和氧化石墨烯组成的双功能催化剂。虽然
两者本身就有微弱的催化活性,但是其混合效应有着出乎意料的、令人惊讶的高氧化还原
活性,并且当使用被氮杂化的石墨烯氮时,催化活性会得到进一步的提高。
此外,Britnell 等[19]还报道了基于垂直石墨烯异质结构的场效应隧穿晶体管,是石墨
烯在信息技术应用领域的一个重要进展,论文发表的当年即被引 44 次。
(三)新反应与新现象
1. C-H 键活化反应
将惰性的碳氢键直接转化为碳碳键或碳杂原子键一直以来就是有机化学家们想要实
现的目标之一,也是近年来有机方法学研究的热点领域。在汤森路透 2013 年 4 月发布的
2013 年研究前沿报告中,钌 / 铑催化氧化 C-H 键活化排在化学和材料科学领域的第二位。
在 2007—2012 年间发表了 46 篇与此相关的核心论文,共被引用了 1900 次。
德国明斯特大学 Frank Glo