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中国科学院科技战略咨询研究院与国家纳米科学

发布时间:2017-12-04 阅读:

  中国科学院科技战略研究院与国家纳米科学与纳米技术中心联合发布“尖端纳米分析报告” - 新闻中心 - 科学网

  8月29日,中国社会科学院科技战略咨询研究所与国家纳米科学中心联合发布“纳米科学前沿分析报告”。该报告结合内容分析,文献计量学和现场分析,对美国,英国,法国,德国,俄罗斯,欧盟,日本,韩国,印度,澳大利亚和中国的纳米技术研究和发展计划进行了比较分析分析纳米科技的研究成果自信心普遍提高,投资普遍增加,研究人员和相关企业数量大幅增加;纳入纳米技术促进经济社会发展,解决重大技术领域,特别是能源和生物医学等重点领域的重大问题;纳米技术研究进入一个新的阶段,从单一的纳米材料制备和功能控制转向纳米技术的应用和商业化;通过公共研发平台,产业园等方式,推动产学研合作等领域的整合,缩短从前沿研究到产业化的时间; EHS(伦理,健康和安全)和ELSI(道德,限制和社会问题)的发展以及国际标准和规范(ISO,IEC)的制定;基础和纳米技术相关的教育。报告显示,中国已经形成了一批在纳米技术领域达到世界领先水平的优势研究方向和优秀团队。

  以下是完整的报告。

  纳米研究前沿分析报告

  中国科学院战略咨询研究院

  国家纳米科学中心

  2017年8月

  “纳米技术前沿分析报告”编写组

  指导顾问

  国家纳米科学中心刘明华

  整体设计

  中国科学技术研究院战略咨询研究所寒岳文岳

  国家纳米科学中心吴淑贤

  国家计划分析

  中国科学院战略咨询研究院院长张超

  研究前沿解读

  中国科学院战略咨询研究所王海明(锂电池,太阳能电池,测量表征)

  中国科学院科技战略研究所邢莹(纳米药物纳米检测,仿生纳米孔,纳米安全)

  中国科学院科技战略研究所边缘文(纳米发生器,纳米催化)

  数据分析和可视化

  中国科学院战略咨询研究所李国鹏王小梅

  概要

  纳米技术是具有广阔应用前景的战略前沿技术。在这项研究中,我们使用内容分析,文献测量和可视化的方法来分析美国,英国,法国,德国,俄罗斯,欧盟,日本,韩国,印度,澳大利亚,中国有专家和现场情报人员的研究。规划和发展布局。基于高被引论文的共引关系,形成了一个科学的纳米技术前沿,纳米技术的前沿方向已经被揭示出来,主要国家被引用次数较高的论文数量已经被比较。锂电池太阳能电池纳米发电机纳米药物纳米检测纳米仿生纳米安全纳米催化剂和测量标准九个尖端研究领域进行了分析和解释。研究结论是:

  1.通过比较主要国家纳米技术的研发计划,发现:(1)各国纳米技术信心普遍提高,资金投入和人员投入普遍增加; (2)国家纳米技术在促进国民经济发展和解决中的作用(3)纳米技术的研究与发展重点已从纳米技术的制备和功能控制转向纳米材料的应用和商业化; (4)纳米技术的研究和开发在关键技术,能源和生物医学领域得到了越来越多的关注; (4)平台,工业园区等方式促进产业,高校,科研院所等领域的合作; (5)各国进行环境研究,健康,安全和道德,限制,社会研究和制定国际标准和规范,以促进纳米技术产业被社会所接受; (6)普遍强调纳米技术基础教育和高等教育。

  根据“基础科学指标”数据库的11814个研究领域,筛选出1391个纳米科技领域的研究前沿。根据论文的引用和发表时间,选取了41个热门前沿和37个新兴前沿。 1339篇研究领域涉及6,639篇被高度引用的论文,美国和中国被高度引用的论文数量远远超越其他国家。

  3.美国在纳米乳液纳米粒子纳米粒子纳米安全和太阳能电池测量标准七个前沿领域研究领域被高度引用的论文数量排名第一,在锂电池和纳米催化领域引用论文数量位居第二。中国在锂电池和纳米催化这两个研究领域被高度引用的论文数量排名第一,在太阳能电池纳米发电机纳米纳米纳米药物纳米测试纳米安全纳米研究领域排名第二,测量标准。纳米仿生孔在这个领域还有待改进。

  4.中国形成了一批在纳米技术领域处于世界领先水平的优势研究方向和优秀团队,如中国科学院,南开大学,华东理工大学,北大中科院大连物理研究所,上海高等科学研究院和上海理工大学等机构在高效合成轻烯烃领域取得了优异的成果。

  从纳米技术研究的前沿分布和趋势来看,我们认为纳米技术正深入到科学技术和社会变革的领域,朝绿色健康,国民需求等国际前沿方向发展。中国正逐渐在世界竞争格局中占据主导地位,并有可能改变未来发展的顺序。

  由于数据研究的局限性和专业性,本报告可能会有一些意见需要讨论,请所有专家读者批评指正。

  “纳米技术研究前沿分析报告”编写组

  2017年7月

  北京

  分析国家重大纳米科技研究计划

  2001年,美国率先制定了“国家纳米技术倡议”。英国,德国,俄罗斯,欧盟,中国,日本,韩国,印度和澳大利亚等国家随后制定了自己的纳米技术发展计划。进入本世纪第二个十年,各国纷纷更新和调整原有计划。

  纵观国家纳米技术研究和发展计划,既有共同点,又有各自的特点和重点。共同点至少包括以下六点:(1)纳米技术的信心普遍提高,投资增加,核心研究人员及相关企业数量大幅增加; (2)纳米技术促进国家经济发展和解决关键问题的关键技术,特别是在能源和生物医药领域; (3)该研究中心从纳米材料的初步单一制备和功能控制的应用和商业化转向纳米材料,纳米技术的研究已经走向(4)促进生产,教学和研究的合作以及与其他领域通过公共研发平台和工业园区,缩短从提案到产业化的时间; (5)开展EHS(环境,健康与安全)和ELSI研究(道德,限制,社会问题),制定国际标准和规范(ISO,IEC),促进社会纳米技术新产业的接受; (6)重视纳米技术基础教育和高等教育。

  就个别特点和重点而言,各国计划的总体方向和目标实现情况因国而异。作为纳米技术创新战略的领导者,美国有一个更具体的纳米技术战略和研究的目标。近年来,围绕碳纳米管研究,纳米纤维素商品化和纳米技术在水资源可持续利用研究计划等方面开展了以使命为导向的研究工作。与此同时,其战略规划更侧重于通过多学科融合来应对一些重大挑战,如2015年“纳米技术 - 关键挑战:未来计算”项目的启动。日本的战略计划强调利用现有先进纳米技术的成果,进一步将那些能够满足社会需求的纳米技术系统化,促进解题研究的发展,韩国的战略计划强调五大促进纳米技术产业化的国家战略,在重视战略性基础研究的前提下,实现信息技术新兴产业的融合,未来发展的动力,清洁便利的环境,健康长寿和安全保障纳米技术。技术目标。德国的纳米技术研究计划重点研究有效转换现有的研究成果,希望提高德国企业的竞争力。近年来欧盟的纳米技术战略计划集中在石墨烯的开发和应用,特别是其应用在能源领域。澳大利亚的“纳米战略计划”旨在以现有研究能力为基础,解决能源,环境,健康,国家安全和振兴制造业等重大挑战;对于中国,除中国国家自然科学基金委员会外,其他相关机构尚未设置制定了一个专门针对纳米科学和技术的全方位计划,国家自然科学基金委的规划更加重视基础研究,重点是纳米制造与测量,机理研究,部分规划涉及能源,医药,环境等应用领域等等,但大多数都处于应用研究的前沿,真正的商业或工业化还有很长的路要走。

  其次,各国计划的具体方向和研究领域也存在较大差异,本文选取生物学,环境,能源,装置,制造,测量,设备,标准,安全等7个领域进行比较分析,具有以下特点。

  1)生物学:英国正在着力于生物纳米技术的产业化,如建立纳米纤维生产平台和设计纳米工厂。中国高度重视碳纳米材料的生物应用和开发具有免疫应答的生物医学材料。澳大利亚专注于人体仿生纳米器件的研究;印度希望利用纳米颗粒开发抗虫植物品种。俄罗斯,德国,韩国和欧盟已经将纳米种植体材料作为重要的研究方向。美国,俄罗斯,澳大利亚,日本,印度等国家都把纳米医学的交付作为重点支持的方向。美国,日本和德国强调医疗成像。

  2)环境:欧盟和德国把二氧化碳捕获和利用作为重要的研究方向。英国更关心纳米材料对环境的毒性。日本把放射性物质清除技术作为其战略方向之一。韩国更重视纳米催化剂研究的大气净化,中国极为重视极端环保材料的发展。美国,俄罗斯,英国,澳大利亚,日本等国家高度重视纳米材料水处理技术。

  3)能源领域:美国更加重视锂电池固体聚合物电解质和热自发电池在纳米储能材料领域的研究和开发。美国在纳米发电材料领域更加重视多孔固体氧化物燃料电池电解质和光伏发电增强材料的研究和开发。欧盟重视柔性电池,轻型储能和储氢系统的研发,以及渗透和发电等新型可再生能源的开发。俄罗斯非常重视太阳能电池,重型陶瓷磁体和替代能源材料的研发。英国将重点研究和开发钙钛矿型电池模块化。日本强调了对高温超导材料传输的研究。韩国主要部署了柔性电极,智能窗和绝缘元件的研究方向,澳大利亚更加重视安全动力电池和太阳能电池的发展,中国更加重视热电材料和长寿命电池的研究。

  4)器件与制造领域:美国,俄罗斯和欧盟都将纳米传感器的发展列为其战略研究方向。美国和中国都非常重视芯片的发展。欧盟和中国将灵活的智能设备,非易失性存储器阵列纳入研究方向。美国更加重视软材料的生产。俄罗斯更加重视以忆阻器为基础的电子元器件。欧盟更重视石墨烯基集成电路,等离子体光开关和晶体管的发展。中国更加重视超低功耗设备和电路。 3D打印,硅基太赫兹技术。

  5)测量领域:美国关注非均质材料的表征,欧盟重视选择性单分子检测,俄罗斯重视原子分辨率的材料表面成像系统,中国将重点发展表征和极端分辨率的测量技术。

  6)仪器和设备:欧盟和韩国在柔性显示器方面进行战略部署。美国,德国,欧盟,韩国,澳大利亚等功能性探测器/传感器(如分子探测器,光电探测器,电感式传感器)的研究。欧盟非常重视太赫兹技术相关设备的研发工作,德国则更重视危险物质检测和救援人员防护设备的研发。俄罗斯高度重视纳米机器人的研究。中国已经研究了纳米绿色印刷和纳米刻蚀的重要方向。

  7)标准和安全领域:美国强调石墨烯的规范及其对基因的影响等。德国在应用纳米技术和食品材料创新研究时,重视必要的保护措施。韩国提出研究传染性生物物质的检测随着监测,中国更加重视纳米技术领域重要标准和检测技术的应用。美国,德国,韩国和中国都参与纳米标准和纳米材料生物安全研究安全的战略部署。

  两个国际纳米技术研究前沿分析

  (一)数据,方法和视觉图

  基础科学指标(ESI)数据库聚集成高度被引用的论文集群,被高度引用的论文(最高1%)共同引用,每个聚类包含相同或相似的研究主题几个被高度引用的论文形成了前沿的研究。根据ESI数据库的11814个研究领域,该报告通过文献检索和专家选择筛选出了1391个与纳米技术研究相关的研究前沿,涵盖了6,639个被高度引用的论文。 ESI数据是在2016年1月获得的,高度被引用的论文在2008 - 2015年出版。

  为了使纳米技术前沿在整个领域的研究前沿中的分布可视化,本文以研究前沿为基本单元,根据文本向量的空间相似性计算研究前沿之间的相似度。然后将研究前沿映射到第二维空间,得到基于研究前沿的科学全景(图1)。地图上的每个点都代表着研究的前沿。研究前沿的相似性越高,这一点越接近。通过不同的颜色区分纳米科技领域的论文在研究前沿的比例。报告发现,在纳米技术领域,超过60%可以被划分为研究领域。图1基本上反映了纳米技术研究在分布前沿研究领域的前沿。

  如表1所示,本报告中美国和中国分居的前两位国家遥遥领先于其他国家。

  国家纳米科学中心组织专家为1391个研究方向命名。该报告将纳米纳米纳米结构纳米结构分类纳入报告。结果如表2所示,可视化如图2所示。

  本报告使用文献计量学从1391个纳米技术研究前沿中选出41个热门前沿和37个新兴前沿(详见附录)。热门的选择侧重于引用的引用数量。根据表1的分类,每个类别(包括其他类别)的研究前沿按引用文献总量排序,提取文献中十大最有影响力的引文。据高度引用,平均发行年份是重新排序,以确定最年轻的研究前沿。每个类别都选择了10个热门前沿(不到10个,以前10%为准),共有41个热门前沿。选择o新兴国家主要考虑高度被引用的论文的及时性。首先,选择2014年1月以后高被引论文平均发表年份的研究前沿,然后根据从最高到最低的总引文频率对其进行排序,选择引用频率在60以上的研究前沿共有37个新兴边界。

  (二)前沿分析的分析

  本报告选择四个前沿研究领域对纳米纳米结构纳米纳米纳米结构进行分析和解释。报告选择了纳米仿生孔纳米催化剂和纳米晶的九个前沿研究领域。每个领域都包括几个研究领域。

  1个锂电池

  锂电池领域的研究领域涉及高度引用论文413篇。研究主要集中在锂离子电池,聚合物锂电池和锂离子电池的表征。如表3所示,中国在这一领域被高度引用的论文数量最多,具有显着的优势。美国和新加坡被高度引用的论文数量分别排在第二和第三位。

  (1)锂离子电池

  一个。阳极材料

  由于硅基材料具有容量高,充放电平台较低,储量丰富等优点,是当前阳极材料研究的热点之一。在这个研究方向上,崔士team团队表现良好,设计制备了核壳,中空硅纳米球,中空硅纳米管和硅纳米线阵列等不同结构,进一步优化了其电化学性能。西北大学黄嘉兴研究团队的表现也更为抢眼,其研究重点是利用石墨烯来改善硅基阳极材料的性能。

  锗在室温下具有比硅更高的电子电导率和锂离子扩散率,所以锗是高功率锂离子电池负极材料的有力候选。目前,研究人员尝试制备各种锗纳米结构材料以改善其电极性能。韩国学者朴等人。获得零维空心锗纳米粒子和三维多孔锗纳米粒子,表现出较好的循环性能。

  锡作为锂离子电池负极材料的理论容量高达994mAh / g,但容量迅速衰减,循环性能差。近年来,研究人员开发了一系列具有纳米颗粒,纳米管,纳米片,纳米纤维,多孔结构等多种形态的氧化锡的合成与制备方法,显着提高了循环性能和倍率性能。中国科学院,南京师范大学,上海交通大学,浙江大学等研究方向比较突出。

  二氧化钛是锂离子电池的理想阴极材料,可望取代石墨电极。近年来,研究人员对具有不同形貌和纳米结构的TiO2负极材料进行了大量的研究工作。新加坡南洋理工大学复旦大学的研究团队在这方面表现出色。通过将TiO2与高导电率石墨烯复合,得到了具有高比表面积,循环性能和倍率性能的复合材料。复旦大学,中国科学院金属研究所,上海交通大学等也在这方面取得了一些突破。

  由于其理论容量高,资源丰富,价格便宜等优点,氧化铁已引起研究人员的高度重视。新加坡南洋理工大学熊雄文研究小组对Fe2O3正极材料用于锂电池进行了大量研究,团队制备了Fe2O3纳米管,-Fe2O3纳米盘,一方面中空多孔结构增加了锂的储存空间,另一方面增加了锂嵌入能力,另一方面,在充电和放电过程中电极材料的体积变化得到缓解,由此显示更优异的电化学性能。

  已被研究得更多并可用作锂离子电池负极材料的其它金属氧化物包括氧化钼,氧化铜,氧化钴,氧化锰等。研究人员通过制备与导电聚合物复合的纳米结构的过渡金属氧化物,用金属化合物来改善电极材料的电化学性能。浙江大学蒋江江教授,新加坡南洋理工大学楼雄文教授和中国科学院物理系李红等人发表了许多高度引用的研究论文。

  石墨烯具有较高的杨氏模量和断裂强度,导电率高,导热系数高,电化学性能优良,功能表面简单,这些都使石墨烯成为锂离子电池负极材料的首选研究材料。主要研究机构有南开大学,复旦大学,中科院化学研究所,国家纳米科技中心,上海陶瓷研究所,中国科学院,上海大学和浙江大学等。在国外,美国西北大学,新加坡澳大利亚的南洋理工大学卧龙岗大学也积极从事研究领域。

  作为锂离子电池正极材料的二维MoS 2纳米片显示出更高的电化学锂储存容量和更好的循环性能。中国研究人员在这个领域更加活跃。浙江大学陈维祥教授通过各种手段制备了MoS2 /石墨烯复合材料,并用作锂离子电池的负极材料。它不仅具有很高的可逆容量,而且其循环稳定性和放大倍数性能也很好。

  湾阴极材料

  LiFePO4是最具代表性的正极材料,是锂离子电池正极材料领域的热点。研究人员致力于研究如何利用碳涂层,导电金属离子涂层,金属离子掺杂以及电极材料的纳米材料性能来提高磷酸铁锂的性能。改性后的LiFePO4放电容量,高倍率放电性能,循环性能均有不同程度的提高。中国科学院,复旦大学,中南大学等国内科研机构的积极参与。

  C。隔膜材料

  在这个方向的高功率纸重点有系统地调查锂离子电池隔膜材料,如聚酰亚胺,聚乙烯,聚丙烯,聚二氟乙烯包覆二氧化硅,氧化铝,循环性能和速率放电性能的影响。韩国在研究方向上更为突出。

  d。机制研究

  随着锂离子电池研究的兴起,对锂离子电池电极材料机理的探索越来越受到重视。美国桑迪亚国家实验室黄健建(燕山大学有专职加入)在研究队伍中的表现比较突出。浙江大学,中国科学院等在这一领域发表了许多被高度引用的论文,但主要是合作研究。

  即灵活的锂离子电池

  中国科学院金属研究所,半导体研究所,中国科学技术大学,北京大学,中南大学,中山大学等在这方面的研究主要集中在使用石墨烯泡沫作为集电体填充氧化铁和钛酸锂等材料来改善柔性锂离子电池基于碳纳米管的柔性电极材料的性能和发展。

  (2)锂硫电池

  锂硫电池具有巨大的理论容量和能量密度的优点,但在实际应用中室温下仍有很低的电导率,充放电过程中容易排出硫磺阴极材料等技术瓶颈。清华大学张强教授在锂硫电池领域表现最为突出。他提出具有自分散性的石墨烯 - 碳纳米管杂化物和柱撑石墨烯等碳纳米材料支撑活性材料以获得高表面积和高效率的正极。加拿大滑铁卢大学的纳扎尔队,斯坦福大学的崔一队和奥斯汀得克萨斯大学的Manthiram队都很活跃。

  (3)锂空气电池

  预计锂 - 空气电池的能量密度高达600Wh / kg,但是面临诸如稳定性,效率,实用性和安全性的挑战。 MIT Yang SH研究小组通过化学气相沉积为固体氧化锂的储存提供了更多孔隙,从而提高了锂 - 气体电池的能量密度。 Au-Pt合金纳米催化剂已经发展到对锂空气电池的充放电效率提高到77%。

  2个太阳能电池

  太阳能电池领域的研究领域共涉及516篇高度被引用的论文。研究主要集中在量子点敏化太阳能电池,有机太阳能电池和无机太阳能电池。如表4所示,美国在这一领域被高度引用的论文数量最多,中国排名第二,与美国的差距较小。韩国和英国在被高度引用的论文数量方面排在第二位,与美国和中国有明显的差距。

  太阳能电池根据材料和开发过程可分为三代:第一代太阳能电池主要是硅基太阳能电池和多晶硅太阳能电池;第二代太阳能电池主要是非晶硅和多组分薄膜太阳能电池,如GaAs,CdS,CdTe,CIGS等材料;第三代太阳能电池同时具有绿色成本低,转换效率高的特点,包括有机聚合物太阳能电池,染料敏化太阳能电池,量子点敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。

  (1)量子点敏化太阳能电池

  近年来,量子点敏化太阳能电池具有制备成本低,工艺简单,性能优良(如尺寸效应和多激子效应)等优点,受到了越来越多的关注。加拿大多伦多大学的Sargent E. H.研究小组,美国国家可再生能源实验室的Nozik A. J.研究小组,以及华东理工大学的钟新华教授在这方面都非常突出。 2012年,萨金特集团迄今为止达到了红外量子点电池能量转换效率最高的7%。 2013年,华东理工大学钟新华合作形成了基于CdSeTe的量子点,光电转换效率高达6.36%。 2015年,通过在TiO2 / CdSeTe表面依次沉积硫化锌和二氧化硅,实现了8.21%的认证效率。

  (2)有机太阳能电池

  一个。钙钛矿太阳能电池

  自2013年以来,利用钙钛矿有机金属卤化物(CH 3 NH 3 PbX 3(X = Cl,Br,I))的薄膜太阳能电池(称为钙钛矿太阳能电池和PSC)转换效率和潜在的制备成本很低,引起了学术界的极大关注。 PSC光电转换效率的快速提升使得PSC成为2013年科学界十大科技突破之一。

  佐治亚理工学院Lausanne Gr Tzel M,牛津大学Snaith,H. J.,Sungkyunkwan University Park N. G.等研究小组在钙钛矿太阳能电池领域取得了一系列重大成就,目前正在领导PSCs研究。韩国Sungkyunkwan大学Park Sung-Sung 2011年,Sungkyunkwan大学Park Research团队优化了TiO 2表面和钙钛矿的生产工艺,将PSCs的效率提高到了6.5%。 2012年,牛津大学斯奈斯特别小组提出了介孔超级结构太阳能电池的概念,效率首次达到10.9%。 2013年,牛津大学的Gr Tzel小组和Snaith小组将PSC的效率提高了15%和15.4%。牛津大学的年轻科学家斯内斯(Snaith),年仅30岁,是大科学家之一。与英国,瑞士,韩国等国家相比,中国在这方面的引文数量相对较少。

  湾染料敏化太阳能电池

  20世纪60年代,德国科学家Tributseh首次发现,染料在一定条件下吸附在半导体上发电,成为染料敏化太阳能电池的重要基础。

  瑞士洛桑联邦理工学院的Gr tzel M为染料敏化太阳能电池的发展做出了一系列重要贡献。 2011年,Gr Tzel等人制备了光电效率为12.3%的电池。 2014年,研究团队再次将染料敏化太阳能电池的效率提高了13%。此外,格罗泽尔研究团队在染料光敏剂和电极方面取得了一系列重要成果,中国研究人员在该领域也取得了突出的成绩,代表性研究团队包括中国海洋大学唐群伟研究组,中国科学院长春应用化学研究所王朋研究组和大连理工大学马廷立研究组,唐山大学研究小组在导电聚合物方面做了大量的工作,用高氯酸掺杂的聚苯胺纳米粒子制成的染料敏化太阳能电池与对电极,获得了7%以上的光电转换效率。匡代彬研究组在特殊形状的TiO2染料敏化太阳能电池应用和光电极研究中取得了系列成果2009年,王鹏研究小组首先研制出染料敏化9.8%的转换效率d太阳能电池。

  C。聚合物太阳能电池

  聚合物太阳能电池与硅基太阳能电池相比,具有设备结构简单,重量轻,成本低的大规模制备的优点。根据受体,聚合物太阳能电池可分为基于富勒烯受体的聚合物太阳能电池,非富勒烯小分子受体基聚合物太阳能电池,全聚合物太阳能电池等。

  富勒烯聚合物太阳能电池的研究主要集中在通过混合受主材料C60衍生物PCBM和供体材料导电聚合物聚己基噻吩(P3HT)作为光敏层而形成的本体异质结结构。伦敦帝国理工学院,美国能源部,加利福尼亚大学体系,斯坦福大学,中国科学院院士李永芳院士等积极研究方向。

  高性能非富勒烯受体的开发在有机太阳能电池中是具有挑战性的问题。中国和美国是非富勒烯聚合物电池研究的主要研究国家。作为北大萧威团队的第一位成员,他提出了稠环电子受体的概念,设计合成了一系列高性能的有机稠环电子受体材料,并取得了一系列重大突破。 2015年,该集团报告非富勒烯聚合物太阳能电池的效率高达6.8%。 2016年,该团队报告的电池效率为9.6%,刷新了世界上最高的效率,中科院化学研究所侯建辉也是研究领域最活跃的研究团队之一,2016年,在小面积非富勒烯聚合物太阳能电池器件(13平方毫米)中记录了11.2%的能量转换效率,使非富勒烯基聚合物太阳能电池更有效最高水平的烯烃受体。

  在所有聚合物太阳能电池中,中科院李永芳队积极表现。 2015年,团队将全聚合物太阳能电池的能量转换效率提高到8.27%。

  除此之外,2016年,南开大学陈永生研究小组利用低聚物材料互补吸收策略,构建了具有广谱吸收特性的迭层有机太阳能电池器件,实现了12.7%的光电转换效率。有机/聚合物太阳能电池的光电转换效率创历史最高纪录。

  (3)无机太阳能电池

  一个。表面等离子体增强太阳能电池

  加州理工学院的Atwater H. A.研究小组是这方面的主要先驱。 2010年,Atwater H. A.等人指出有三种光捕获策略可以在不增加活性层厚度的情况下,有效增强等离激元纳米结构中活性层的吸收。基于上述的光捕获策略,表面等离子体太阳能电池取得了长足的进步,短路电流密度,功率转换效率等参数均大幅提高。

  湾复合薄膜太阳能电池

  薄膜太阳能电池的主要类型包括碲化镉,砷化镓,CIS,CIGS,CZTS和其他薄膜太阳能电池。 2010年,德国太阳能与氢能研究中心研究的CIGS太阳能电池光电转换率达到20.3%。 2011年,美国国家可再生能源实验室开发的小面积GaAs薄膜太阳能电池,光电转换效率达到28.3%。在这个研究方向上,美国的研究力量比较突出。着名的研究机构包括加州大学,IBM,劳伦斯伯克利国家实验室等。中国科学院,香港中文大学,华东师范大学等中国研究机构也在积极开展工作。

  3纳米发生器

  纳米发生器领域的研究前沿涉及32篇高度被引用的论文。研究内容主要集中在摩擦纳米发生器和压电纳米发生器两个研究领域。如表5所示,该领域高度引用的论文基本来自美国,其中25篇来自美国的佐治亚理工学院,北京纳米能源与系统研究所所长王忠林,中国科学院。

  发生器原理电磁,压电,热电和静电四种类型。纳米发生器主要使用压电和静电(即摩擦)两条技术路线。在纳米发生器的研制过程中,王忠林教授做出了重要而开拓性的贡献。 2006年,王忠林的小组首次报道了一种使用压电极化电荷的压电纳米发生器,随时间推移的电场,以驱动电路中的电子流动。 2012年,王忠麟研究小组首先报道了摩擦纳米发生器,它利用两种不同的材料接触产生的表面静电荷,随时间改变电场来驱动电子流动,到目前为止,摩擦纳米发电机演变成四种操作模式(垂直接触分离,水平滑动,单电极,分层),输出功率密度从3.67 mW / m2飞跃到超过300W,在各种机械能转化为电能的过程中,由于微纳电源用于微型器件,作为健康监测,生物传感,人机交互等自驱动传感器,最近王仲林的研究小组致力于利用摩擦纳米发电机来收集海洋能量,时间在设备和仪器(质谱仪)。除了应用研究之外,王忠林院士还表明,纳米发生器的理论来源是由麦克斯韦的第二个位移电流产生的,推导出压电纳米发生器和摩擦纳米发生器的基本输运方程。

  压电纳米发电机虽然发明较早,但过低的输出电流限制了其发展和应用。核心材料从最初的氧化锌纳米线,正在朝钛酸钡,PZT等钙钛矿型材料,PVDF聚合物材料,二硫化钼等二维材料等方向发展,结构既有一维纳米线,纳米纤维,也有二维平面薄膜。

  4纳米药物

  纳米药物领域的研究前沿共涉及高被引论文488篇,研究内容主要围绕纳米药物载体与药物递送,肿瘤治疗纳米药物,抗菌治疗纳米药物等。如表6所示,在高被引论文数量方面,美国最多,中国排名第二,美国和中国的表现明显优于其他国家。

  近年来,纳米材料和纳米技术越来越多地进入到临床应用阶段。经临床实践证实,根据纳米材料对肿瘤细胞和肿瘤组织靶向性的特性设计出的纳米药物能明显改善肿瘤治疗。其中,肿瘤光热治疗技术作为一种新型的治疗策略,已经在肿瘤治疗方面引起了高度关注。早期的光热治疗主要通过高热量来直接破坏,​​消除肿瘤细胞。近年来很多研究者发现这些纳米材料产生的热除具有直接杀伤肿瘤细胞的作用外,还可通过抑制肿瘤转移,克服化疗耐药从而发挥抗肿瘤作用。目前研究较多的光热材料以金纳米材料为主,研究内容主要围绕金纳米棒,金纳米笼等金纳米材料的肿瘤光热治疗,及光声成像 - 光控释放 - 光热治疗化疗等纳米金多手段多功能的诊疗一体化研究2008年,美国佐治亚理工学院萨尔瓦多-Sayed MA团队利用金纳米棒对小鼠鳞状上皮细胞癌进行等离激元光治疗,论文被引521次。2012年,国家纳米科学中心陈春英和吴晓春团队把介孔二氧化硅包被的金纳米棒用于肿瘤的成像,化疗和热疗,论文被引395次。其他知名机构包括美国德克萨斯大学安德森癌症中心,美国华盛顿大学以及我国东华大学,苏州大学,哈尔滨工程大学和南京大学等。

  纳米药物载体与药物递送方向近年发展迅速。主要用于药物载体的纳米材料包括纳米脂质体,聚合物胶束,纳米囊和纳米球,纳米磁性颗粒,介孔二氧化硅纳米粒等氧化。石墨烯具有良好的生物相容性,易于表面功能化,其巨大的比表面使它具有超高载药率。2008年美国斯坦福大学戴宏杰教授团队率先报道了利用氧化石墨烯作为难溶性含芳香结构抗癌药物的载体,其具有良好的水溶性,可用于难溶性药物的增溶,并可有效杀伤肿瘤细胞。两篇相关论文分别被引用达1789和1533次。其中介孔二氧化硅因多孔性,比表面积大,便于修饰性,毒性低等特点,得到广泛应用,具有极大的发展前景。相关核心论文主要围绕介孔二氧化硅的合成,特性及癌症治疗等生物医药应用。主要研究团队包括美国加州大学洛杉矶分校Zink Jeffrey I.和Nel Andre E.团队,美国西北大学S toddart j。Fraser团队,中科院理化所唐芳琼团队,芬兰埃博学术大学Sahlgren Cecilia团队,美国新泽西州立大学Minko Tamara团队,美国爱荷华州立大学Vivero-Escoto Juan L.团队,福州大学杨黄浩团队,新加坡南洋理工大学Zhang Quan and Zhao Yanli团队等。其中Nel Andre E.团队关于siRNA修饰的负载抗癌药物的介孔二氧化硅纳米输运体系以克服肿瘤多重耐药性的研究被引用455次。

  脂质体近年来也是给药系统研究领域中的研究热点,已经在许多方面显示出其潜在的应用价值,知名研究机构包括美国哈佛大学,美国德州大学奥斯丁分校,澳大利亚哥廷理工大学以及我国南京大学等。

  5纳米检测

  纳米生物和医学检测领域的研究前沿共涉及高被引论文325篇,研究内容主要围绕量子点,贵金属纳米簇,上转换材料等纳米探针技术以及纳米生物传感器。如表7所示,在高被引论文数量方面,美国最多,中国排名第二,美国和中国的表现明显优于其他国家。

  纳米生物和医学检测技术的热点主要集中在用于分子影像诊断的纳米探针技术。纳米探针具有影像信号强度大,靶向效果好,代谢动力学可控等显着的优点。近年来,基于贵金属纳米材料(金,银等纳米颗粒),量子点,上转换荧光纳米颗粒的荧光纳米探针迅速发展,成为纳米生物医学检测领域的前沿热点。

  在贵金属纳米簇纳米探针研究方向上,高被引论文主要研究以核苷酸作为保护模板合成荧光银纳米簇探针,以增加其稳定性,并将其用于核苷酸,汞离子及蛋白等的生物检测。美国佐治亚理工学院Dickson Robert M.团队,美国阿拉莫斯国家实验室Martinez Jennifer S.团队和中国科学院长春应用化学所汪尔康院士团队在该研究方向较为突出。

  在量子点纳米探针研究方向上,美国海军实验室生物分子科学工程中心Mattoussi Hedi,Medintz Igor L.团队的高被引论文主要研究量子点共振能量转移,斯坦福大学戴宏杰团队和中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王强斌团队的高被引论文主要研究硫化银量子点应用于近红外影像,福州大学池毓务团队的高被引论文主要研究功能化碳量子点,南开大学严秀平团队的高被引论文主要研究的ZnS量子点。

  在纳米生物传感器研究方向上,斯坦福大学鲍哲南大学,加州大学伯克利分校Javey Ali团队,首尔大学Pang Changhyun团队,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽团队等主要研究用于电子皮肤压力传感的生物传感器,美国西北太平洋国家实验室林跃河团队,康涅狄格大学Rusling James F团队,中国西南大学袁若团队,清华大学李景虹团队,南京大学朱俊杰团队等主要研究免疫生物传感器。

  6仿生纳米孔

  仿生纳米孔道领域的研究前沿共涉及高被引论文45篇,研究内容主要集中在利用纳米孔进行生物大分子分析识别的基础研究和应用研究。如表8所示,美国在该领域具有非常显着的研究优势,高被引论文有23篇,超过了总数的一半;英国和德国分别有8篇和4篇高被引论文,分列2,3位;中国只有1篇高被引论文。

  上世纪90年代,科学家提出了将单链DNA拉过蛋白孔,检测碱基穿过时电导的微小改变,进而实现纳米孔的DNA测序的设想。进入21世纪后,越来越多的科研人员致力于该领域研究,让纳米孔测序成为现实,研究成果也逐步向商业实用方向迈进。开发的纳米孔类型主要包括生物纳米孔和固态纳米孔等,测序主要包括核酸测序(主要是DNA测序)和蛋白质分析等。

  生物纳米孔利用天然生物学通道,如 - 溶血素结构和耻垢分支杆菌孔蛋白A(MspA)等。牛津纳米孔技术(Oxford Nanpore)公司Bayley Hagan团队开发了可商业化的 - 溶血素生物纳米孔。2009年,该公司发表论文“单分子纳米孔的DNA连续碱基测序”,实现了碱基连续测定,准确度平均为99.8%。该文被引用677次,是本领域被引频次最高的论文。此后,牛津纳米孔技术公司推出了商业化的纳米孔测序仪Minion和GridION。基于纳米孔的单分子DNA读取技术不再需要光学检测和同步的试剂洗脱过程,也被称为第四代测序技术,相比更早的测序技术有着更快的数据读取速度和更大的应用潜能。

  2010年,美国华盛顿大学的Jens Gundlach首次证明,耻垢分支杆菌孔蛋白A可用于DNA测序,并与阿拉巴马大学微生物学家Michael Niederweis合作证明MspA孔隙结合棘轮系统便可读取短DNA序列。 2012年,该团队又一次利用的MspA和噬菌体的phi29聚合酶相结合,实现单核苷酸的分辨率和DNA易位控制,该成果推动了长期以来生物纳米孔遇到的两个主要障碍的解决。同年,美国加州大学圣克鲁兹分校Mark Akeson团队也利用MspA和Phi29聚合酶相结合,使DNA正向和反向棘轮以每秒2.5-40个核苷酸的速度通过纳米孔实现实时单核苷酸分辨率的检测。

  生物纳米孔在稳定性,持久性等方面存在不足,难以满足持续的大规模测序的需求。随着微加工技术的不断进步,固态纳米孔应运而生。人工制备的固态纳米孔具有孔径稳定,物化性能良好,具有低成本,高读长,易集成等的优点,被认为是下一代纳米孔技术。固态纳米孔的材料主要是石墨烯,氮化硅,硅,金属氧化物等。

  石墨烯在检测DNA上具有出色的潜力。哈佛大学Jene Golovchenko团队和美国麻省理工学院的研究人员2010年在自然上发表论文证实石墨烯可以制成人工膜材料进行DNA测序,指引了石墨烯纳米孔DNA检测的方向。哈佛大学Jene Golovchenko团队制备了与DNA分子的直径紧密匹配的石墨烯纳米孔,发现其对DNA具有非常好的灵敏度和分辨率。荷兰代尔夫特技术大学科维理纳米科学研究所的Dekker,C团将将石墨烯薄片放置在氮化硅膜的微孔上并使用电子束在石墨烯中钻出纳米尺寸的孔来获得纳米孔。在其他仿生纳米孔材料方面,德国慕尼黑工业大学,美国哥伦比亚大学的研究人员利用氮化硅修饰纳米孔,阿根廷拉普拉塔国立大学的研究人员利用聚(4-乙烯基吡啶)大分子构建块修饰固态纳米孔,瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员将亚纳米厚度的单层或几层厚的剥离的二硫化钼二硫化钼)固定在氮化硅纳米孔上,均可以改善DNA的分析。

  同时,纳米孔的检测物范围也不断扩大,从DNA发展到RNA,蛋白质,金纳米颗粒和有毒分子等的分析。如牛津大学Bayley Hagan团队,美国加州大学圣克鲁兹分校Mark Akeson团队和荷兰代尔夫特技术大学科维理纳米科学研究所的Dekker,C团队等利用生物纳米孔开展蛋白检测,研究的重点是蛋白质解折迭和易位问题。此外,美国宾夕法尼亚大学Drndic,M和Wanunu,M团队利用薄的纳米孔快速检测小RNA分子。英国东英吉利大学利用牛津纳米孔技术公司开发的仆从纳米孔平台测序鉴定细菌抗生素抗性岛的位置和结构。

  7纳米安全性

  纳米安全性领域的研究前沿共涉及高被引论文157篇,研究内容主要围绕纳米物质和生物体及环境的相互作用,着重研究纳米物质的物理化学特性等与生物学毒性效应之间的关系。如表9所示,美国在该领域的高被引论文数量最多,有59篇,明显高于其他国家;中国在该领域的高被引论文数量排在第2位,有25篇。

  碳纳米管,介孔二氧化硅,石墨烯等纳米材料在医学检测,纳米药物递送,纳米治疗等方面开辟了新的应用途径。同时,关于其生物安全性,毒性的研究也逐渐引起关注。该领域研究前沿的高被引论文的主要分为两个研究方向:纳米材料对人体健康的风险研究和纳米材料的环境风险研究健康风险研究主要围绕肺毒性,皮肤毒性,细胞毒性,生物相容性等,关注的主要纳米物质包括碳纳米管,纳米锌,纳米银,石墨烯,介孔纳米二氧化硅,纳米二氧化钛和纳米金等。环境风险研究主要围绕环境释放,环境归趋,生态毒理学,生物降解,植物吸收等。

  纳米银的毒性作用研究包括纳米银颗粒的细胞毒性,遗传毒性,发育毒性,炎症反应及毒性作用机制,纳米银在生物体内的分布动力学,纳米银对癌细胞系增殖和凋亡的影响等。新加坡国立大学Valiyaveettil S教授团队2009年发表的论文“银纳米粒子对人体细胞的细胞毒性和遗传毒性”被引用1153次。此外,韩国环境及商品检测研究所,美国空军研究实验室,荷兰国家公共卫生和环境研究院等研究机构也有高被引论文贡献。

  碳纳米管的安全性研究包括单壁/多壁碳纳米管的生物相容性,体内分布循环,细胞内吞,慢性毒性,间皮损伤和致癌性,毒性的影响因素(如长度,尺寸依赖性)等。2008年,苏格兰爱丁堡大学Donaldson K团队研究发现石棉状长碳纳米管可能导致小鼠产生一种以往由石棉引起的恶性间皮瘤,该论文被引用1329次。此外,美国斯坦福大学,麻省理工大学和美国国家职业安全卫生研究所,德国巴斯夫公司和拜耳公司,我国北京大学等也有高被引论文贡献。

  介孔二氧化硅材料的生物安全性研究包括介孔二氧化硅纳米材料的生物相容性,生物分布,细胞毒性和溶血活性的影响因素(如尺寸,形状,表面效应)等,中科院理化所唐芳琼团队表现较为突出。

  纳米金颗粒的体内分布研究主要集中在金纳米颗粒在生物体内的分布,累积及粒径和表面电荷等影响因素研究,主要研究机构包括德国环境健康研究中心等。

  纳米材料释放进入环境的估算与环境影响评价研究包括纳米材料在环境多介质中的分布,在环境中的排放,归趋建模等,主要研究机构包括瑞士联邦材料科学与技术实验室等。

  氧化石墨烯的毒性作用及安全性评价研究集中在氧化石墨烯的毒性作用与生物安全性研究方面,来自中国和美国的研究机构比较活跃。

  8纳米催化

  纳米催化领域的研究前沿共涉及高被引论文303篇,研究内容围绕纳米催化剂的制备和应用展开。如表10所示,我国在该领域的高被引论文数量排名第一,所占份额超过三分之一,反映出我国近年来在纳米催化领域具有较强的研究优势。美国的高被引论文数量排名第二,所占比例接近1/4。其余国家高被引论文数量相对较少。

  纳米催化剂通常由活性组分和载体两部分组成。常见的活性组分包括金属(及其化合物),半导体,碳基材料(石墨烯,碳纳米管,石墨相C3N4等)等。尺寸,形貌,结构,组成等是影响活性组分催化活性的重要因素。出于成本考虑,活性组分的总体研究趋势是在保证活性的前提下,尽量减少贵金属的使用,用储量丰富,价格低廉的普通金属或者非金属材料替代贵金属。常用的载体包括氧化物(二氧化硅,二氧化钛,四氧化三铁等),碳基材料(石墨烯,碳纳米管,石墨相C3N4等),多孔材料(沸石,介孔材料,金属有机框架化合物等)等。载体不仅为活性组分高度分散提供了表面,而且还可以参与催化过程,例如促进光生电荷分离等。对于多孔载体,孔道的限域可以起到择形催化作用。由于易于分离回收,磁性可回收载体近年发展迅速。

  纳米催化的特点介于均相催化和非均相催化之间。中科院大连化物所张涛院士团队首次发现单原子催化剂具有与均相催化剂相当的活性,从实验上证明单原子可能成为沟通均相催化与多相催化的桥梁。

  纳米催化的反应类型大致分为传统催化,电催化和光催化三类。在传统催化中,C1化学占据重要位置,包括费托合成,甲烷转化,CO氧化,CO 2还原,甲醇氧化等。近年来,我国C1化学取得一系列重大突破。中科院大连化物所包信和院士团队构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂,成功地实现了甲烷在无氧条件下选择活化,一步高效生产乙烯,芳烃和氢气等高值化学品。包信和院士团队还利用自主研发的新型复合催化剂,创造性地将煤气化产生的合成气高选择性地直接转化为低碳烯烃,乙烯,丙烯和丁烯的选择性大于80%,突破了费托合成低碳烯烃选择性最高58%的极限。中国科学院上海高等研究院和上海科技大学联合科研团队自主研发了暴露面为{101}和{020}晶面的CO2C纳米平行六面体结构催化剂,实现了温和条件下(250℃,1〜5个大气压)合成气高选择性接制备烯烃,低碳烯烃选择性可达60%,总烯烃选择性高达80%以上,烯/烷比可高达30以上。

  在电催化中,燃料电池和金属 - 。空气电池的阴极氧还原反应是研究重点之一铂是重要的氧还原反应电催化剂受铂成本高等缺点影响,催化剂一方面朝着减少铂的用量方向发展,采用二元或三元合金的形式,例如铂 - 铁,铂 - 钴,铂 - 铁 - 铜等。另一方面朝着非铂催化剂方向发展,例如钯及其合金,以及氮掺杂的碳材料(石墨烯,碳纳米管)等。电解水是另一类重要的电催化反应,新型析氢催化剂包括硫化钼化合物(二硫化钼,MOS3等),氮掺杂的碳纳米管封装的金属催化剂等,新型析氧催化剂包括氮掺杂的石墨烯等。美国斯坦福大学戴宏杰团队制备的四氧化三钴/氮掺杂石墨烯电催化剂同时具有很高的氧还原和析氧活性,文章被引次数超过1900次。二氧化碳的转化也是研究热点,中国科学技术大学谢毅院士团队采用新型钴基电催化剂,将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料,得到国际同行高度评价。

  在光催化中,水和空气中污染物的降解是研究重点之一,常用的催化剂包括TiO2等半导体,BiOX(X = Cl,Br,I),Ag / AgX(X = Cl,Br,I) ,石墨相C3N4等。二氧化碳还原制甲烷,甲醇等碳氢燃料正处于研究热点,在减少温室气体的同时还可提供替代能源,常用催化剂包括TiO2等半导体,Ag / AgX(X = Cl,Br, I),金属有机框架化合物,石墨烯,石墨相C3N4等。光解水一直是光催化研究的重要课题,国家纳米科学中心宫建茹研究员和武汉理工大学余家国教授合作制备的石墨烯负载的CdS光解水制氢催化剂很受高度关注,文章被引次数超过1000次。

  9测量表征

  纳米测量表征技术主要是指纳米尺度和精度的测量技术。近十几年来,随着测量技术的飞速发展,至今已经出现了多种可以实现纳米测量的技术和仪器。近期纳米级测量技术主要有两个发展方向,即光干涉测量技术和扫描显微测量技术。

  纳米测量表征领域的研究前沿共涉及高被引论文153篇,研究内容包括光谱测量研究,电子显微测量研究以及利用多种表征手段研究纳米材料的表面/界面等。如表11所示,美国在该领域的高被引论文数量最多,德国和英国分列第2,3位,中国在高被引论述数量方面与美国相比有明显差距。

  (1)光谱测量研究

  一,超分辨成像

  近年来随着超分辨荧光显微术的兴起,研究人员研究了多种突破衍射极限的超分辨光学显微镜,分辨率可达约20 nm左右,某些情况下甚至可小于2 nm。显微镜主要分为两类:一类以Stefan W. Hell发明的受激辐射耗尽(STED)显微镜为代表,通过调制光照明方式来实现超分辨;另一类是基于单分子定位的超分辨显微镜,通过对具有光开关功能的荧光基团进行单分子成像和定位而实现,光活化定位显微术(PALM)技术,随机光学重构显微术(STORM)技术,荧光活化定位显微术( fPALM)技术均是这一技术方向的研究热点。2014年诺贝尔化学奖授予发展超分辨率荧光显微成像技术的3位科学家,分别是美国霍华德休斯医学研究所教授Eric Betzig(PALM技术) ,德国马克斯普朗克生物物理化学研究所教授Stefan W. Hell(STED技术)和美国斯坦福大学教授William E. Moerner

  湾纳米尺度磁共振研究

  当前通用的磁共振谱仪受制于探测方式,其成像分辨率仅为毫米级。纳米尺度弱磁探测技术将磁共振技术的研究对象推进到单分子,成像分辨率提升至纳米级。

  2008年,德国斯图加特大学Wrachtrup团队和美国哈佛大学卢金团队首次报道了利用金刚石中的氮 - 空位色心(NV)进行纳米尺度弱磁探测的工作,开创了纳米测磁研究方向此外,哈佛大学Yacoby研究团队,Walsworth研究团队,中国科技大学杜江峰研究团队均是该方向中最为活跃的研究团队。2008年以来,杜江峰研究团队陆续取得了微波场的百纳米级分辨率矢量重构,绘制世界首张单个生物分子的磁共振谱等重大研究突破。

  角表面等离激元共振(SPR)

  光(或电磁波)与金属纳米粒子相互作用能够在纳米尺度范围聚焦很强的电磁能量,突破传统光学中的衍射极限,即表面等离激元共振(SPR)现象。该方向的研究主要集中在氧化钨,硫化铜,硒化铜,金纳米颗粒,多种胶体纳米颗粒的表面等离激元共振和局域表面等离激元共振性质研究以及基于表面等离激元光镊系统对金属纳米颗粒和生物分子的稳定捕获和动态操控能力研究等。

  d。表面增强拉曼光谱(SERS)

  当分子接近或吸附在贵金属纳米材料表面时,其拉曼信号能被放大多个数量级,因此近年来表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种快速,灵敏的检测技术已获得广泛认可。该方向的研究主要聚焦在基于纳米材料(主要是金纳米粒子)的拉曼基底的研发以及SERS在生物检测领域的应用。美国杜克大学和西班牙维戈大学在该方向研究较为活跃。

  (2)电子显微测量研究

  原位透射电子显微镜(in situ TEM)技术实现了对物质在外部激励下的微结构响应行为的动态,原位实时观测。该方向的研究聚焦在利用原位透射电子显微镜技术对纳米电极材料的锂化和退锂化过程进行原位表征。美国能源部桑迪亚国家实验室黄建宇(已经全职加入燕山大学)研究团队在该研究方向非常活跃。黄建宇等人首次实现了在透射电子显微镜下搭建锂离子电池体系,研究纳米线在锂化过程中的形貌变化和作为锂离子电池电极的锂化机理。此外,桑迪亚国家实验室刘晓华团队,佐治亚理工朱廷研究团队等也是该领域中的重要研究队伍。

  三总结

  本报告通过纳米领域各国发展规划调研和文献计量分析,结合领域情报人员的研究,得出以下发现。

  1.通过对比分析美国,英国,法国,德国,俄罗斯,欧盟,日本,韩国,印度,澳大利亚以及我国的纳米技术研发计划,发现各国规划具有以下共同之处:(1)对纳米技术的信心普遍增强,投资力度普遍加大,核心科研人员数量和相关企业数均大幅增加;(2)将纳米技术列入促进国家经济发展和解决关键问题的关键技术领域,在能源和生物医药等领域尤其受到重视;(3)研发重心由最初单一的纳米材料制备和功能调控转向纳米材料的应用和商业化,纳米技术的研究走向了新的阶段;(4)通过公共研发平台,产业园区等方式,促进产学研合作及与其他领域的融合,缩短从提案到产业化的时间;(5)开展EHS(环境,健康,安全)和ELSI(伦理,限制,社会课研究)以及制定国际标准和规范(ISO,IEC)推动纳米技术相关社会接受这些行业; (6)重视纳米技术基础教育和高等教育。

  基于Essential Science Indicators(ESI)数据库中的11814个研究前沿,通过文献检索和专家选择,筛选出1391个与纳米级研究相关的研究前沿,其中涉及到2008年至2015年的6639个被高度引用的论文。从被引用次数高的文章来看,美国和中国排在前两位,遥遥领先于其他国家。考虑到论文的引用和发表时间,从1391个纳米技术研究的边界选取了41个热门前沿和37个新兴前沿。

  3.选用锂电池纳米电极纳米电极纳米胶囊纳米相纳米仿生孔隙安全纳米催化测量标准的9个前沿研究领域(每个领域的研究包括一些研究前沿)的分析和解释。就被高度引用的论文数量而言,美国在纳米乳液纳米粒子纳米电极纳米粒子纳米安全和太阳能电池测量标准七个研究领域中排名第一,在锂电池和纳米催化剂方面排名第二。中国在锂电池和纳米催化这两个研究领域排名第一,在太阳能电池纳米检测纳米纳米纳米纳米安全纳米安全性五个测量领域排名第二,测量标准排名第四在前五名。

  4,中国形成了一批在纳米技术领域已经达到世界领先水平的优势研究方向和优秀团队,如:(1)太阳能电池:中科院化学家侯建辉研究小组实现了在2016年小面积非富勒烯聚合物太阳能电池器件的能量转换效率达到了11.2%,使得非富勒烯聚合物太阳能电池的效率达到了富勒烯受体的最高水平;南开大学陈永生教授创造了12.7在2016年文献报道的有机/聚合物太阳能电池的光电转换效率%。华东理工大学钟新华教授2016团队此外,北京大学占中国科学院萧伟教授团队,李永芳院士队伍也非常突出;(2)C1化学:中国科学院,大连化学材料,信和院士一个团队成功实现了甲烷在厌氧条件下的选择性活化,从而有效地生产出高价值的化学品,如乙烯,芳烃和氢气。宝信河学院团队还直接选择性地将煤气化合成气转化为轻质烯烃。上海高等研究院和上海科技大学联合攻关小组在气体条件下实现了温和条件,直接制备出高选择性的烯烃。

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