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研究背景

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有SP、SP²、SP³杂化的多样电子轨道特性，在加之SP²的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各向导性。因此以碳元素为唯一构成元素的碳素材料具有各式各样的性质，并且新碳素相合新碳素材料还不断被发现和人工制得。事实上，没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成像三维金刚石晶体、二维石墨层片、一维卡宾和碳纳米管、零维富勒烯分子等如此之多的结构与性质完全不同的物质。对于熟悉碳材料领域的小伙伴，有一位大牛一定不陌生，他就是成会明院士。

成会明，四川巴中人，炭材料科学家、中国科学院院士、发展中国家科学院院士。1980年9月，成会明进入湖南大学化工系碳素材料专业学习。1984年7月，本科毕业获得学士学位，之后考入中国科学院金属研究所，在无机非金属材料专业就读研究生，先后获得工学硕士学位（1987年）、工学博士学位（1992年5月）。1990年，作为与日本联合培养的博士生，前往日本通产省工业技术院九州工业技术研究所学习（至1992年）。1993年，从日本回到中国，进入中国科学院金属研究所工作，先后担任副研究员（1993年-1994年）、研究员（1994年-）。同年，加入九三学社。

2000年，获得国家杰出青年科学基金资助。

2001年，担任沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部主任。

2013年，当选为中国科学院院士。同年当选亚太材料科学院院士。同年入选百千万工程领军人才。

2014年10月26日，在阿曼首都马斯喀特举行的发展中国家科学院第25届院士大会上，被增选为第三世界科学院院士。

2016年6月，加盟清华大学清华-伯克利深圳学院，创建低维材料与器件实验室并担任主任。

成会明主要从事碳纳米管、其他二维材料等低维材料的制备、性能及应用等研究，曾获得国家自然科学二等奖等奖项，代表著作有《纳米碳管制备、结构、物性及应用》等。他曾担任1项973项目（2000-2005）和2项国家纳米重大研究计划项目（2006-2010, 2011-2015）的首席科学家，连续三届任国家自然科学基金委创新研究群体项目负责人，获得发明专利100多项，在国际国内会议上做特邀报告170多次，在国际刊物上发表学术论文650余篇（其中2009-2018年发表的论文中有83篇为ESI高被引论文），被引用13万次，H因子161，是科睿唯安公布的化学和材料两个领域的高引用科学家之一。曾获国家自然科学二等奖（2006,2017）、国防科技进步二等奖（2010）、何梁何利科学与技术进步奖（2010）、美国碳学会Charles E. Pettinos奖、德国SGL集团Felcht奖、美国化学会ACS Nano讲座奖等奖励。曾任《Carbon》副主编、《新型炭材料》主编，现任《Energy Storage Materials》主编、《Science China Materials》副主编。

我们一起来看看成会明院士2021年的一些顶刊成果。

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研究成果

1. 《AM》：石墨烯负载的原子分散金属作为基于转化反应的下一代电池的双功能催化剂

由于温室效应产生的气候变化，它已被广泛认为是对人类生存的重大挑战。为了解决这个问题，迫切需要实现碳中和，需要发展可再生能源。然而，可再生能源的大规模使用因其间歇性而受到影响。电化学储能装置在可再生能源的储存和管理中发挥着关键作用。其中，锂离子电池(LIBs)在过去30年中也在便携式电子产品和电动汽车方面取得了巨大的商业成功，显示出网格规模存储的潜在作用。最先进的LIBs具有插入型石墨阳极和过渡金属氧化物阴极，这限制了它们的比能量和成本。除了插入存储机制之外，转换和合金存储机制由于其潜在的高能量密度而表现出极大的兴趣。目前研究者们正大力发展高能量密度、长循环稳定性、高效率、高安全性和低成本的下一代电池。

基于转化反应的下一代电池，包括含水金属-空气电池、非水碱金属-O₂和-CO₂电池、碱金属-硫属元素电池和碱金属离子电池，引起了极大的兴趣。然而，它们的使用受到活性剂低效可逆转化的限制。迫切需要开发双功能催化剂来加速放电和充电过程中的转化反应动力学。石墨烯或类石墨烯碳载原子分散金属催化剂在各种电催化反应中表现出优异的活性，使其成为有前途的候选催化剂。与催化用的G-ADMCs只要求一个方向的高活性不同，可充电电池用的G-ADMCs在放电和充电时都应提供高活性。

在此，清华大学深圳国际研究生院成会明院士、周光敏副教授等人概述了用于具有高能效和能量密度的下一代可充电电池的双功能G-ADMC的基本设计和集成策略。作者分析了阻碍各类可充电电池中转化型材料可逆转化的关键因素，并提供了对 G-ADMC中原子活性位点的基本理解。此外，还提供了有关用于下一代高性能电池的双功能G-ADMC的指导。最后，考虑到预期与可靠的下一代电池之间的差距，作者提供了下一代电池双功能 G-ADMC的设计和集成策略的观点，并为其实际应用提出了一些建议。相关研究成果以“Graphene-Supported Atomically Dispersed Metals as Bifunctional Catalysts for Next-Generation Batteries Based on Conversion Reactions”为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

2. 《AM》：嵌入锂硫电池3D电极的单原子金属中的d-p轨道杂化设计

尽管元素硫具有高理论容量(1675 mAh g^-1)、成本效益、丰富和环境友好性，但锂硫电池的商业化由于硫负载和利用率低、反应动力学缓慢和循环稳定性差而受到严重限制。到目前为止，已经引入了适当的活性吸附和催化中心，例如金属硫化物、氧化物、氮化物、和钒化合物、来提高硫的利用率并加速多硫化锂(LiPSs)和Li₂S之间的可逆转化。然而，高重量百分比的这些添加剂牺牲了锂硫电池的整体能量密度。在合适的基底上包含单分散金属原子的单原子金属催化剂具有理论上100%的原子利用效率，因此具有比常规本体金属和纳米粒子催化剂高得多的活性。各种单原子金属催化剂SACs已被引入锂硫电池，以提高其电化学性能。通常，SACs的效果归因于它们对LiPSs的良好吸附能力和高催化活性。然而，由于缺乏对催化机理和控制催化活性的材料性质的基本理解，阻碍了锂硫电池用SACs的选择和合理设计。

在此，清华大学深圳国际研究生院成会明院士、周光敏副教授及北京航空航天大学张千帆副教授、澳大利亚科廷大学赵石永等人发现单原子金属和硫物种之间的d-p轨道杂化可用作了解Li-S电池中SAC催化活性的描述符。具有较低原子序数的过渡金属（如Ti）具有较少的填充反键态，可有效结合多硫化锂 (LiPS) 并催化其电化学反应。为此，作者开发了一种通用的可控氮配位方法制备了一系列嵌入3D电极的单原子金属催化剂（SACs@CFs），其中选择单原子Mn、Cu、Cr和Ti催化剂（SAMn、SACu、SACr和SATi）来验证上述发现。相关研究成果以“Engineering d-p Orbital Hybridization in Single-Atom Metal-Embedded Three-Dimensional Electrodes for Li–S Batteries”为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

3. 《ACS Nano》: CO₂活化氮掺杂石墨烯，助力高性能Li-CO₂电池

在过去的三十年里，锂离子电池已经成功商业化，并广泛应用于便携式电子设备和电动汽车。然而，传统的锂离子电池(分别以石墨和锂过渡金属氧化物或磷酸盐作为阳极和阴极)的比能量极限为350瓦·小时·千克^-1，这很难满足电动汽车日益增长的需求。因此，开发高比能量(> 500瓦·小时·千克^-1)和低成本的电池非常重要。

石墨烯和碳纳米管因其高比表面积和优异的导电性而被认为是有前途的无金属阴极催化剂。掺杂非金属原子已被用于提高其催化活性，其中掺氮碳材料已被广泛用作阴极催化剂。然而，在此材料可以在实践中使用之前有两个主要问题需要解决。一是氮掺杂石墨烯(NG)的导电性较低，抑制了反应动力学。二是氮掺杂石墨烯NG的N构型是石墨-N、吡咯-N和吡啶-N的混合构型，对这些活性位点在CO₂还原/进化反应中的作用了解较少。因此，确定NG中需要的活性位点，制备具有丰富活性位点和良好导电性的理想材料是非常具有挑战性的。

为了解决上述问题，清华大学深圳国际研究生院成会明院士、周光敏副教授和邹小龙研究员团队在理论计算的指导下，设计出一种利用CO₂活化氮掺杂石墨烯的策略，制备出具有高吡啶-N/吡咯-N含量的还原氧化石墨烯（NG/RGO）。与未活化的材料对比，CO₂活化后的NG/RGO表现出更加优异的催化活性，并在Li-CO₂电池中展现出增强的反应动力学和循环性能。相关研究成果以“Engineering the Active Sites of Graphene Catalyst: From CO₂ Activation to Activate LiCO2 Batterie”为题，发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上。

 

4. 《Nature Communications》：一种超灵敏的钼基双异质结光电晶体管

二维（2D）材料是下一代光探测器很有前景的材料，因为它们具有卓越的性质，例如与依赖于层数的光，电子和光学特性的强相互作用，以及形成混合结构的能力。然而，由于原子厚度，2D材料基光电探测器的固有检测能力低。光诱导栅控（Photogating）广泛用于改善通常产生大噪声电流的装置的响应度，导致探测器性能有限。为解决这个难题，中科院沈阳金属所成会明院士、孙东明研究员，Lichang Yin和南京大学Xiaomu Wang等人报道了开发了一种Mo基双异质结光晶体管，它具有一个MoS₂沟道和两个α-MoO_3-x接触电极。这项研究为制造具有超高光敏性的2D材料光晶体管提供了新的技术。相关研究成果以“An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor”为题，发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

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结论与展望

成会明院士曾表示，人类的三次技术革命都与材料的发展有关，第一次技术革命是由钢铁材料驱动的，第二次是由导体材料推动，第三次由半导体材料硅等推动，“人工智能信息技术、生物医学、高端装备制造、新能源等都与新材料相关。世界各国对新材料的发展非常重视，提出一系列的发展战略，如美国的《关键材料战略》、《国家纳米计划》、《材料基因组计划》等，德国、日本、俄罗斯、中国等国家也相继提出了相关的发展战略。“中国的材料研究与开发，在几十年发展中取得了长足进步，但是仍面临巨大的挑战。碳材料具有高分子的多样性，又具有金属的强韧性，还具有陶瓷的耐高温特性。由于它具有广范围的性质，可作为信息功能材料、先进能源材料、生物医用材料和航空航天材料。成院士在科研和人才培养方面为国家做出了卓越贡献，向大师致敬！

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文献

1. 文献链接：

文献1：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.2021058123

文献2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202105947

文献3：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c00756

文献4：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24397-x

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