About Us


研究方向

磁场等特殊条件下无机化学合成、纳米材料及其储能、生物医学应用和交叉科学问题研究。

学生培养

已培养博士后10名,博士36名,硕士31名,60余名本科生在本实验室完成本科论文, 40余人继续在国外攻读博士学位。

承担课题

国家自然科学基金面上项目
中国科学院留学回归人员择优支持基金
教育部留学回归人员科研基金
中国科学院知识创新工程课题
中科院引进国外人才”百人计划”启动基金
国家杰出青年科学基金
国家基金委纳米重大研究计划重点基金
安徽省人才开发基金
国家高技术研究发展计划(863计划)
国家自然科学基金委和中国科学院大科学装置联合基金重点项目

实验室近期工作简介

 

 

发表论文、著作及专利申请

已经在Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Energy & Environmental Science,Physical Review Letters,ACS Catalysis 等一流刊物等发表SCI检索论文300余篇,论文被美国《科学》、英国《自然》等国际期刊和专著引用和评价8400余次;在高等教育出版社出版研究生教材和专著各一部;获美国发明专利1项、国家发明专利18项。

部分学生获奖情况

2018年

杨    阳获2018年度中国科学院院长优秀奖,中国科学技术大学优秀毕业生、安徽省品学兼优毕业生

汪冬冬获2018年度中国科学院院长优秀奖 ,2018中国电信·天翼奖 ,安徽省优秀毕业生

2017年

杨    阳获博士研究生国家奖学金

杨    康获研究生国家奖学金

汪冬冬获苏州育才奖

苏建伟获2017年度中国科学院院长优秀奖,中国科学技术大学优秀毕业生

2016年

汪冬冬获宝钢教育奖学金

夏国良获研究生国家奖学金

伦正言获郭沫若奖学金

2015年

汪冬冬获研究生国家奖学金

郑方才获2015年度中国科学院院长优秀奖

2014年

汪明晟获安徽省优秀硕士论文奖
郑方才获研究生国家奖学金
孔祥恺获2014年度中国科学院院长特别奖
闫    楠被授予中国科学技术大学、安徽省优秀毕业生
2013年

黄一敏获研究生国家奖学金
孔祥恺获研究生国家奖学金
胡海波获中国科学院院长优秀奖
闫    楠获中国科学院朱李月华优秀博士奖学金
孔祥恺获中国科学院朱李月华优秀博士奖学金
孙志远获32届郭沫若奖学金
2012年

陈    健获研究生国家奖学金
孙志远获大学生研究计划校优
2011年

盛    进被授予中国科学技术大学、安徽省优秀毕业生
2008年

曹方宇获安徽省优秀硕士论文奖
2006年

胡徽铧获大学生研究计划校优
2005年

陈昶乐获校优秀本科毕业论文

代表性工作

1.提出组成生命的基本物质来源于地球深部,由超临界CO2(氧化态碳)在还原性矿物表面还原而成, 并在实验室模拟了该过程,获得了羧酸等有机分子。J.Am.Chem.Soc.审稿人评价道:”该工作对解释生命起源中的许多问题有贡献…”;”该工作非常新,在生命起源这一领域非常有价值…”。论文发表后,墨尼黑大学的Severin K在ANGEW CHEM INT EDIT(39卷3589页)的亮点栏目上以”是热石头还是冷汤?早期地球上有机化合物起源的最新研究成果”为题评述道:”上述工作证实了生命出现以前有机物是能以CO和CO2作为C的构筑砖瓦在水热或火山条件下形成的”。英国《Nature》杂志在科学前沿栏中也高度评价该工作的意义,指出:”该发现证实了生命可以产生于’原始汤’…”(Feb.21,2000)。

2. 火星地貌上的沟渠使人们相信火星上曾经有水。最近美国航天局发射的火星探测车“机遇者”号和“勇气者”号在火星上先后发现了灰色的赤铁矿,地球上灰色的赤铁矿通常是在有水的环境中形成,据此,有学者得出结论:灰色赤铁矿是火星早期存在水的矿物证据。若火星上曾经有大量的液态水,那么这些水现在都到哪里去了?与地球有很大不同,火星大气95%是CO2,它可能是有机物彻底氧化后形成的。那么,火星上会存在哪种有机物呢?有研究称地球早期曾喷发过大量的甲烷(非生物起源),这种喷发在火星上也可能发生过,甲烷有可能是火星早期的温室气体。甲烷的氧化和光化学反应得到不同氧化程度的有机物,如甲醇、甲醛等,类似于土卫六上现在的环境, 在特定的温度和压力条件下火星上可能存在这种有机物如甲醇的海洋,沟、渠以及大量的灰色赤铁矿可能是在甲醇的海洋中形成的。基于上述观点,研究人员以无水FeCl3为原料在甲醇环境中模拟合成了灰色的α-Fe2O3,反射谱也与所报道的灰色赤铁矿类似。在此实验基础上提出了:火星曾经存在有机物海洋的观点。有关论文已经被著名的国际太阳系研究学报«Icarus»接受发表。最近,实验室所做的橄榄石风化实验也支持该观点。

3.发明了水热腐蚀制备多孔硅的方法, 通过调整工艺参数可分别获得红、蓝和紫外光发射的多孔硅;解决了多孔硅发光强度在存放中衰减的难题,在Phys. Rev. Lett.,Appl. Phys. Lett.等期刊上发表了多篇研究论文,多孔硅发光发现人LT Canham和英国剑桥大学卡文迪许实验室的Yoffe AD教授分别在他们的专著和论文中肯定了上述工作。最近,在多孔硅中又获得了稳定的肉眼可见的蓝光发射,它在全硅光电集成方面有重要的应用背景。多孔硅是由大量硅纳米线站立在单晶硅基底上构成的,他的研究小组在硅纳米线周围填充PZT,由于PZT是铁电材料,能自发极化,因此,相当于在硅纳米线周围施加了一个静电场,当纳米线被激发后,静电场能诱导被激发的电子/空穴发生分离,并向相反方向运动,增强了载流子在纳米Si/PZT界面的复合,获得了稳定的肉眼可见的蓝光发射。2003年2月20日著名的光学网站Optics.org以”多孔硅发蓝光”为题发表消息,称”中国科学家找到了能使多孔硅发射稳定的肉眼可见的蓝光的方法”。Laser Focus World(Volume: 39 Issue: 5, 13-13)杂志也报道了该结果。美国Sandia 国家实验室编辑的重要科技新闻选登中,该成果果也被选入。国内中国科学院、科技部等网站也转载了相关报道。还在多孔硅中观察到了由表面羟基形成氢键而引起的铁电性,论文发表在Advanced Material上。

4. 发现磁场对Ag,Au纳米粒子的激光拉曼增强效应有负面影响,并用理论计算结果给予了解释。模拟发现加磁场后银纳米团簇表面的电子数变少,导致银表面等离子体减弱,使得SERS的电磁增强作用变弱。通过电荷差分密度图可以看出在强的磁场下,电子更多的局域在金属内部,而转移到探针分子(如吡啶)上的电子数变少。通过能级分析进一步发现在外加磁场作用下电子跃迁所对应的能级间距会变宽,导致电子由金属转移到探针分子上的几率减小,进而引起电荷转移变少及SERS信号变弱。【Chem. Commun., 2011, 47, 11237–11239】。

5. 较早地开展了磁场下的化学合成和组装研究,发现0.25T外磁场能诱导Fe3O4生长成单晶纳米线,理论计算揭示这是由于磁场能不同程度改变各晶面的表面能所致。还发现磁场能改变所形成纳米线的磁畴结构。相关工作已在 Advanced Materials,Chemical Communications, J. Mater. Chem. 等SCI检索刊物发表学术论文近40篇, 发表在Advanced Materials上的单篇论文最高被引用315次,被SCI列为Highly cited论文。

6. 根据模拟实验结果,在地球物理国际顶级刊物The Journal of Geophysical Research上发表论文,提出地球在形成初期首先经历了磁吸积和后期的重力吸积过程而形成核-幔-壳结构的观点。该工作已被NASA, MIT 和美国自然历史博物馆的科学家引用。

7. “利用源自具有双光子带隙异质结构的磁响应光子晶体结构色进行防伪”的论文发表在英国皇家化学会杂志 Journal of Material and Chemistry后,被该杂志确定为热点文章,并被该杂志博客(http://blogs.rsc.org/jm/)点评,称:“中国科学家发展了一种简单,低成本的制备具有双光子带隙异质结构光子晶体的方法,利用此种方法该课题组可以制备一系列的结构色,此外由此种方法得到的结构色难以被通常来源于染料或颜料的颜色所模仿,因此可以应用在防伪领域”。中国印钞总公司技术中心,印度最大的打印企业Manipal Technology Manipal-India对此都表现出兴趣,愿意合作。

8. 实验室与生命科学学院(郭振副教授)与安徽医科大学(王海宝副主任医师)合作在天然抗癌药物载体研究领域取得新进展。他们利用肿瘤细胞内环境的调控,发展了具有pH响应性的多功能药物载体,它能够将疏水药物青蒿素输送到肿瘤细胞内,同时释放出Fe2+,Fe2+可作为青蒿素抗癌的诱导剂,从而大大提高了抗癌药效。研究成果以“Multifunctional Mesoporous Nanoparticles as pH-Responsive Fe2+ Reservoirs and Artemisinin Vehicles for Synergistic Inhibition of Tumor Growth”为题在线发表在Biomaterials(35, 2014, 6498-6507)。

9. 石墨烯因具有卓越的物理化学性质而得到人们的广泛关注,掺杂氮原子可以在石墨烯表面诱导形成高的局域电荷/自旋密度而提高其化学活性。近日,课题组发现氮掺杂石墨烯可以催化还原硝基苯酚,这是首次在温和条件下(无光照等影响)非金属催化剂用于催化该反应的报道,其反应动力学为零级反应,有别于之前金属催化剂的一级反应。相关研究成果以“Metal-free catalytic reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol by N-doped graphene”为题发表在英国皇家化学会的《Energy & Environmental Science》上(2013, 6, 3260–3266,IF:15.49)。

10. 利用超临界二氧化碳体系处理废弃鸡毛,并将其转化为碳酸氢铵肥料和形貌规则的碳微球,并研究了碳微球在超疏水领域的应用。研究成果以“One for Two: Conversion of Waste Chicken Feathers to Carbon Microspheres and (NH4)HCO3”为题在线发表在美国化学会环境类著名期刊Environmental Science & Technology (48 , 2014, 6500-6507)上。《New Scientist》杂志在Environment版报道了这一成果(05 June 2014, Magazine issue 2972),该杂志充分肯定了这一将鸡毛转化为碳酸氢铵和碳微球的工艺,认可这一巧妙构想。同时International TV channel NTN24电视台也进行了采访。

11.提出类石墨烯粒子的边缘掺杂与聚集体的空间储锂的思想,相关研究成果以“High lithium anodic perform -ance of super-high nitrogen-doped porous carbon prepared from a metal-organic frame -work”为题发表在《自然•通讯》上(Nature Commun. 2014, 5,5261: doi:10.1038/ncomms 6261)。
氮掺杂石墨烯被认为是有应用前景的锂离子电池电极材料,理论和实验研究表明,氮掺杂石墨烯的储锂性能很大程度上依赖于氮掺杂量。然而,大量的氮原子掺杂到晶格里会降低其结构稳定性,故电池容量等电化学性能的进一步提高和改善受到限制。通过理论模拟计算,提出了边缘氮掺杂和孔洞空间额外储锂的思想,并设计出了一种能实现边缘氮掺杂,避免边缘被羧基、羟基修饰的氮掺杂类石墨烯粒子的制备工艺,制备了高氮掺杂的多孔类石墨烯粒子。作为锂离子电池电极材料表现出优异的储锂性能。
利用高含氮配合物ZIF-8为前驱物在惰性气氛中焙烧一步法制备了高氮掺杂的类石墨烯粒子。这种方法能有效地避免类石墨烯粒子边缘易生成羟基、羧基、环氧基等官能团,有利于氮原子在石墨烯晶格内及边缘掺杂,提高掺杂量,如800℃制备的样品其氮含量达17.72 wt%。此外,焙烧后所形成的类石墨烯粒子聚集体内含大量孔洞,其内表面富含吡啶、吡咯型氮掺杂原子,理论模拟计算表明,这种孔洞可以提供额外的储锂容量。另外,这种特殊的孔道结构,有利于充放电循环过程中锂离子和电解质的传输,大大提高了锂离子的迁移速率。这些结构优点使所制备的氮掺杂类石墨烯粒子的电化学性能得到了较大的提高,容量和循环稳定性都优于目前文献报道的氮掺杂碳材料。

12.提出了将少量的贵金属钌与过渡金属钴合金化来提升钴催化活性的思想,并设计出了一种以金属有机框架化合物为前驱体来制备氮掺杂的类石墨烯层包裹合金内核复合结构的工艺。所制备的复合纳米结构作为碱性析氢电催化剂表现出与贵金属可比的析氢性能。该研究成果以“Ruthenium-cobalt nanoalloys encapsulated in nitrogen-doped graphene as active electrocatalysts for producing hydrogen in alkaline media”为题发表在Nature Communications上。利用贵金属钌掺杂的钴氰酸钴类普鲁士蓝作为前驱物在惰性气氛中焙烧一步法制备了氮掺杂的类石墨烯层包覆钴钌合金的纳米粒子,合金中钌占3.58 wt.%。这种方法能够将氮掺杂的石墨烯层原位包覆在合金表面上,保护合金内核以提升稳定性。作为碱性析氢电催化剂,在电流密度为10mA/cm2时其过电位仅为28mV,显示出与20%的商用铂碳电催化剂可比的电催化析氢性能。密度泛函理论模拟计算发现,掺杂氮原子近邻的碳原子是催化反应的活性位点,钴钌合金化比单纯钴更能促进电子向类石墨烯层表面转移,改变内部的钴钌合金比例能够调控外部石墨烯层表面的电荷分布,合适的钴钌合金比例可以大大降低活性位点的氢吸附自由能,可到达与铂催化剂相近的氢吸附自由能值。这种独特的复合纳米结构使其催化性能得以较大地提升,具有潜在的应用前景。

13.锰(Mn)基催化剂通常对电催化氧还原反应(ORR)活性较低。然而,在生物界中,锰(II)离子常常是多种金属酶的辅因子。例如,具有Mn辅因子的血红素铜氧化酶(HCO)可以将O2还原成H2O,其活性中心Mn金属离子同时和O和N原子配位。通过模拟生物酶中Mn基辅酶因子的结构和功能,以含有Mn金属的MOFs作为前驱物,将O和N原子配位的Mn活性位点原子级地分散在三维石墨烯骨架中,利用石墨烯的良好导电性成功地将Mn调控成高活性的ORR催化活性位点,实现了高活性的催化。该仿生电催化剂在碱性条件下表现出优异的ORR和锌空气电池电极性能,甚至比商业Pt / C更好。该研究成果以 “O-, N-Atoms-Coordinated Mn Cofactors within a Graphene Framework as Bioinspired Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts”发表在《先进材料》杂志上(Advanced. Materials 2018, 1801732)。

先前的理论计算表明,在特定结构中没有本征催化活性的过渡金属的催化活性可以通过活性位点的配位环境改变而显著改变。我们通过Mn基MOFs作为前驱物与后处理过程成功地将O和N原子配位的Mn活性位点原子级地分散在三维石墨烯骨架中。作为Mn辅因子最近的配位原子,O和N原子都可以通过配位来模拟酶的协调作用,进一步调节催化剂中Mn原子的d电子结构,这与大多数报道的具有M-N-C的单原子催化剂不同。同时,由于原子级分散的Mn活性位点和具有分级多孔的中空3D石墨烯框架,催化剂的电荷传输能力和活性位点的数量也得到改善。得益于上述优点,该催化剂表现出优异的ORR性能,甚至比商业的Pt/C更好(起始点位0.94V,半波电位0.86V)。密度泛函理论计算表明,含有Mn-N3O1辅因子结构的石墨烯骨架表现出最快的ORR动力学,因其d带中心和第一个峰位相对于费米能级的位置较低,有利于中间体的吸附和解吸。计算结果还证明,除了N原子,O原子也可显著影响配位金属原子的活性。该工作为我们通过向具有催化活性的酶学习来设计其他电催化剂提供了新的思路。