測試雲平台 - 新晉中國科學院外籍院士，全球納米能源領軍人物，了解一下！－鑽石舞台

Apr 25 Mon 2022 14:31
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他被稱為華人之光，是美國國家科學院和美國藝術與科學學院兩院院士。

他因為開創性地發展納米顆粒太陽能電池和人工光合作用獲得非常規能源而獲得全球能源獎。

2021年11月18日，中國科學院院士增選名單正式揭曉，他當選中國科學院外籍院士。

他就是加州大學伯克利分校楊培東教授。

人物簡介

楊培東，納米材料學家，中國科學院外籍院士、美國藝術與科學院院士、美國國家科學院院士，加州大學伯克利分校化學系S.K.和Angela Chan傑出能源教授和化學教授，上海科技大學物質學院創始人Founder。

1993年獲得中國科技大學應用化學學士學位；1997年獲得哈佛大學化學博士學位；1999年進入美國加州大學伯克利分校化學系任教，先後擔任助理教授、副教授、終身教授；2001年至2004年連續獲得美國阿爾弗雷德·斯隆獎；2003年被美國「技術評論」雜誌列入世界100位頂尖青年發明家；2004年獲得美國材料學會青年科學家大獎，是第一位獲得該獎的中國人；2007年獲得美國國家科學基金會沃特曼獎；2011年入選湯森路透集團遴選的最優秀的100名化學家榜單中第十位，同時入選了10年中最優秀的100名材料科學家中第一位；2012年4月當選美國藝術與科學院院士。2015年9月獲得美國麥克阿瑟天才獎。2016年5月當選美國國家科學院院士。2020年，獲得全球能源獎。2021年，當選中國科學院外籍院士。

主要研究內容為一維半導體納米結構及其在納米光學和能量轉化中的應用，包括人工光合作用、納米線電池、納米線光子學、納米線基太陽電池、納米線熱電學、碳納米管納米流體、低維納米結構組裝、新興材料和納米結構合成和操控。

楊培東教授奠定了合成納米線的基礎化學，開闢了具有重大科學技術影響的重要材料研究領域。

自九十年代後期以來，半導體納米線的研究領域得到了快速的發展，來自化學、物理學、電子工程和材料科學等許多不同學科的研究人員一直在積極探索這一令人興奮的方向。

楊培東教授另一個偉大的成就是人工光合效果，他想要把這項技能運用到人類火星移民方案。

楊培東教授團隊構建了一套由納米線和細菌組成的共同系統。該系統可捕捉到到尚未進入空氣中的二氧化碳。這一進程仿照自然界的光合效果。在近似自然陽光照射200小時的環境下，該系統完成的太陽能轉化率為0.38%，這與自然界（光合效果）葉子的轉化率相同。

2021年，楊培東教授課題組用二氧化碳製糖，藉此斬獲 NASA 二氧化碳轉化大賽（下稱「NASA大賽」）的最高獎。是進入決賽的唯一一名學術實驗室團隊，其他兩支團隊均為企業參賽。楊培東團隊此次獲得獎金 240000 美元，未來這筆錢將用於二氧化碳在太空製造糖的電化學過程。

本文將回顧2021年楊培東教授課題組的一些重要工作。

Matter：無機鹵化物鈣鈦礦中水分誘導相變的動力學

全無機CsPbI3鈣鈦礦及其相關成分是高效低成本太陽能電池的有希望的候選者，但它們會受水分影響，結構轉變為不太理想的相，造成器件效率低下。楊培東教授課題組通過利用光學顯微鏡在良好控制的相對濕度（RH）水平下捕獲這種相變，提供了水分對各個相變過程的影響的綜合動力學分析，提取了成核勢壘和傳播速度，並揭示了限速過程。

同時，還觀察到太陽能電池工作溫度下的表面水解吸，這表明加熱是穩定CsPbI3太陽能電池的潛在方法。結果進一步表明，在室溫下進行的太陽能電池測試可能是衡量設備防潮性的更好方法。這一新認識可為未來開發穩定的長效CsPbI3太陽能電池提供參考。該工作發表在Matter上。

Joule：鹼性條件下電催化CO₂還原解決方案

電催化CO2還原能夠實現碳中和，可轉化得到高附加值的液體燃料，因而倍受研究者關注。目前CO2催化轉化的主要科學問題集中於電解池設計、電解質選擇及電化學參數確定等方面。其中針CO2電催化劑發展的主要挑戰是：如何在低能耗條件下實現特定產物的高選擇性和高產率。

加州大學伯克利分校的楊培東教授團隊主要總結並討論了反應器以及電解質（強鹼條件）對催化劑活化轉化CO2的影響。作者深入研究了高鹼濃度體系中電催化CO2反應器的設計以及對催化劑表面微環境的調控；並針對催化劑表面「鹼問題」，提出了兩種有效解決策略。文末，作者指出，將H型或流動池中的CO2還原催化劑轉化為適用於MEA電解結構的催化劑，是實現工業化的重要一步。繼續深入理解中性電解質中催化劑微環境並進行有效調控，設計高效催化電解裝置，將為鹼性條件下進行CO2可持續還原，提供有效解決方案。

Matter：具有軟離子晶格的可重構半導體

合成理解對於設計具有受控特性的鹵化物鈣鈦礦以及為創建新的結構系列鋪平道路至關重要。隨着合成方法的擴展，特別有必要闡明鹵化物鈣鈦礦的形成以及它如何影響它們的相關特性，以形成統一的設計原則。

楊培東教授課題組總結了無機鹵化物鈣鈦礦納米結構合成界的關鍵里程碑，並強調了鹵化物鈣鈦礦的反應動力學和熱力學如何將它們與傳統的無機半導體區分開來。隨後，研究人員提出了一個回顧性觀點，在概念上將物理化學理論與先進的合成相結合，並解決該領域中關鍵問題以及可能的解決方案。該觀點旨在闡明鹵化物鈣鈦礦的結構特性、合成可調性和環境穩定性之間的關係，並為用於高效穩定器件的新一代鹵化物鈣鈦礦納米結構提供展望。

Nano Research：用於電催化的硫摻雜石墨烯錨定的超細Au25納米糰簇

探索低配位數納米糰簇催化性能的最大挑戰是穩定性問題。楊培東教授課題組證明，硫摻雜石墨烯 (S-G) 上的化學摻雜劑可用於穩定超細Au25(PET)18簇，以實現穩定的氮還原反應 (NRR)，而不會出現顯著的結構退化。

反應後催化劑的X射線光電子能譜和X射線吸收近邊光譜表明，硫摻雜劑在穩定團簇中Au原子的化學狀態和配位環境方面起着關鍵作用。進一步的分子動力學 (RMD) 模擬證實了Au納米糰簇和S-G之間的強相互作用。該工作發表在Nano Research上。

PNAS：層狀鈣鈦礦量子阱中的振動弛豫動力學

鹵化物鈣鈦礦，尤其是層狀鈣鈦礦，為創造明亮高效的發光器件和其他光電應用提供了許多優勢。由於晶體的離子特性以及分子部分與無機網絡之間的非共價鍵產生的柔軟性，有機-無機雜化層狀鈣鈦礦具有複雜的晶格動力學。特別是，有機屏障的堆積幾何形狀導致無機八面體的結構變形，這強烈影響對器件應用至關重要的性能。

楊培東教授課題組在層狀鈣鈦礦中使用各種配體取代的高分辨率共振脈衝受激拉曼光譜，發現由於晶格中不同程度的非諧性和動態結構無序，有機配體的組成可以顯著改變光聲子的移相率及其溫度依賴性。這項工作提供了對新生光激發弛豫的分子和時域描述，並為了解它們如何與複雜的層狀鈣鈦礦晶格耦合提供了機會，闡明了光電器件的設計原則。該工作發表在PNAS上。

Nano Letter：揭示納米粒子中熱力學不混溶元素的相分離行為

在多金屬納米材料中通常觀察到相分離，但尚不清楚不混溶元素如何分布在熱力學穩定的納米顆粒中。楊培東教授課題組使用電子顯微鏡和斷層掃描技術研究了納米顆粒中Au和Rh的相分離。納米顆粒經過熱退火形成熱力學穩定的結構。HAADF-STEM和EDS表徵表明，Au和Rh分離成兩個域，同時它們的混溶性增加。使用像差校正的HAADF-STEM和原子電子斷層掃描，發現Au在Rh中的溶解度增加是通過在Rh域內部和Rh表面形成Au簇和單個原子來實現的。

此外，基於AuRh納米顆粒的三維重建，可以對於嵌入納米顆粒中的不均勻界面進行可視化。這些結果促進了我們對金屬混合物納米級熱力學行為的理解，這對於優化多金屬納米結構的許多應用至關重要。該工作發表在Nano Letter上。

Nano Letter：無配體可加工鈣鈦礦半導體油墨

由於其高內聚能，傳統的共價半導體需要複雜的工藝方法來製造器件。楊培東教授課題組開發了一種穩定的、無配體的鈣鈦礦半導體墨水，可用於一步製造基於半導體的圖案化光電子學電路系統。在空氣中，能夠在幾分鐘內實現液體墨水和固態鈣鈦礦晶體系統之間的可逆轉變。該工作發表在Nano Letter上。

JACS：納米粒子組裝誘導配體相互作用，增強電催化CO2轉化

在決定整體催化性能方面，催化劑所處的微環境與活性位點同樣重要。最近，發現納米顆粒 (NP) 表面配體可以積極參與創造有利的催化微環境，作為納米顆粒/有序配體中間層 (NOLI) 的一部分，用於選擇性CO2轉化。然而，許多被認為對形成這種催化夾層必不可少的配體-配體相互作用仍有待理解。

楊培東教授課題組通過改變NPs的初始尺寸並利用光譜和電化學技術，表明NPs的組裝導致NOLI形成所需的配體相互作用。小納米顆粒的大表面曲率通過配體交叉促進了相鄰納米顆粒的配體之間的強非共價相互作用。這確保了它們在電化學條件下的集體行為，並產生了結構有序的NOLI配體層。該工作發表在JACS上。

文獻信息

1. Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers, Science. 2001, 292, 1897-1899. DOI: 10.1126/science.1060367.

2. Kinetics of Moisture-Induced Phase Transformation in Inorganic Halide Perovskite, Matter. 2021, 4, 2392–2402. DOI: 10.1016/j.matt.2021.04.023.

3. Address the 「alkalinity problem」 in CO2 electrolysis with catalyst design and translation, Joule. 2021, 5, 737-742. DOI: 10.1016/j.joule.2021.02.008.

4. The making of a reconfigurable semiconductor with a soft ionic lattice. Matter. 2021, 4, 3874-3896. DOI: 10.1016/j.matt.2021.09.023.

5. Sulfur-doped Graphene Anchoring Ultrafine Au25 Nanoclusters for Electrocatalysis, Nano Res. 2021. DOI: 10.1007/s12274-021-3561-2.

6. Vibrational relaxation dynamics in layered perovskite quantum well, Proc Natl Acad Sci USA. 2021, 118, e2104425118. DOI: 10.1073/pnas.2104425118.

7. Revealing the Phase Separation Behavior of Thermodynamically Immiscible Elements in a Nanoparticle, Nano Letters. 2021, 21, 6684–6689. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02225.

8. Ligand-free processable perovskite semiconductor ink, Nano Letters. 2021, 21, 8856-8862. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03308.

9. Nanoparticle Assembly Induced Ligand Interactions for Enhanced Electrocatalytic CO2 Conversion, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 19919-19927. DOI: 10.1021/jacs1c09777.