2019 年度国家自然科学奖提名项目-石墨烯基光催化材料

shanwaishan

2019 年度国家自然科学奖提名项目简介 项目名称: 石墨烯基光催化材料
提名者：湖北省

提名意见：项目围绕石墨烯基光催化材料的设计、制备、结构调控与性能增强，在国际上率先开展了深入系统的研究工作，论文发表在 JACS 等多种国际著名期刊上，成果受到国内外同行的广泛关注和认可，8 篇代表论文被 Science 等期刊 SCI 他引 6409 次，均是 ESI 高被引论文，完成人余家国和向全军入选全球高被引作者。鉴于研究成果被他人大量引用。提名该项目为国家自然科学奖二等奖。

项目简介：本项目属于特种功能无机非金属材料学科光催化材料和技术在解决能源和环境问题方面有着非常广阔的应用前景，是当前国际化学、材料、能源和环境等领域的研究热点，高性能光催化材料的设计制备是该领域的研究热点和难点，光催化活性低和光生电子和空穴容易复合是光催化领域亟待解决的关键科学难题。项目在国家 973 计划、国家自然科学基金等项目的持续支持下，围绕石墨烯基半导体光催化材料的设计、制备、结构调控与性能增强，在国际上率先开展了深入系统的研究工作，取得了若干创新性研究成果，形成了自己的研究特色，其主要科学发现如下：
       1 最早报道了石墨烯-CdS 纳米复合光催化材料具有优异的光催化分解水产氢性能，其产氢量子效率达到 22.5%，其产氢速率是纯 CdS 的 4.9 倍。进一步发现在无 Pt 情况下，石墨烯-ZnxCd1-xS 纳米复合材料具有优异的太阳光光催化分解水产氢性能，其性能高于 Pt 作助催化剂的产氢性能。
       2 发现石墨烯可以增强 TiO2 纳米片的产氢活性，进一步发现层状MoS2/graphene 复合材料可以协同增强 TiO2 光分解水产氢性能，其表观产氢量子效率为 9.7 %，远远超过纯 TiO2 或 MoS2 与石墨烯单独复合 TiO2 的光分解水产氢性能。
       3 第一次设计制备了两种层状石墨烯/氮碳化物复合光催化材料，该光催化剂具有优异的可见光光催化产氢性能，两种二维材料耦合在一起，具有大的接触面积和高的光生载流子分离效率。
       4 发展了一种分级大孔/介孔 TiO2-石墨烯复合光催化材料制备方法，该复合材料在分解丙酮时表现出非常好的光催化活性，其活性是国际标准光催化剂 P25的 1.6 倍。
       项目发展了多种新的石墨烯基光催化材料制备方法和材料体系，制备出多种高效稳定的光催化材料，极大地推进了国际光催化材料的研究与应用化进程，研究工作发表在 JACS、Adv Mater、Nano Lett、Chem Soc Rev 等多种国际著名期刊上，成果受到国内外同行的广泛关注和认可，8 篇代表论文被 Science、NatureReview Chem、Nature Mater、Nature Chem、Narure Energy、Chem Rev、Chem SocRev、Prog Mater Sci 等学科顶级期刊 SCI 他引 6409 次，单篇最高 SCI 他引 1452次，平均每篇被引 801 次，8 篇代表论文均是 ESI 高被引论文。主要完成人余家国和向全军入选汤森路透全球高被引作者，余家国还入选汤森路透 2012 年度全球最热门科学研究人员 21 人名单。

       客观评价：1、第三方对 8 篇代表论文的具体评价：
       代表论文 1：印度科学普及协会印度科学院院士 Amitava Patra 教授在代表引文 1(Chem.Rev. 2017, 117, 712−757)中指出：“It is reported that graphene is extensively used to developcomposite systems with semiconducting nanomaterials, such as TiO2,282−285 CdS,286−289 andCu2O,290 for improved photocatalytic efficiency.” 该论文充分肯定了石墨烯增强 TiO2光催化活性的观点。参考文献 285 为代表论文 1，该论文还引用了代表论文 2、3 和 6。
       代表论文 2：英国剑桥大学的著名学者 Francesco Bonaccorso 博士和国际石墨烯专家韩国蔚山国立科学技术研究所 Rodney S. Ruoff 教授在代表引文 2(Science, 2015, 347, Article No:UNSP 1246501)中用很长篇幅（并在同一篇论文 2 个不同位置引用）对本项目获得的实验结果进行了评述，指出：“Some 2D crystals are also promising for fuel cells and in water-splittingapplications because of the large photocatalytic properties of their edges (14)……The possibilityto tune the GRM lateral size and thickness (7), thus increasing their edge/bulk atoms ratio, canimprove the catalytic activity because a higher number of active catalytic sites are present at theedges (14) for fuel oxidation at the anode and oxygen reduction at the cathode.”充分肯定了 2D 材料边缘有利于增强光催化活性的观点，参考文献 14 为代表论文 2。
       代表论文 3：英国皇家学会院士、帝国理工学院的著名光催化专家 James R. Durrant 教授在代表引文 3 (Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 2281-2293)中指出：“numerous groups haveexamined the coupling of both n and p type semiconductors to graphene basedmaterials.74Photocatalytic hydrogen evolution has been observed with the co-deposition of TiO2/Pt,Cu2O/Pt, g-C3N4/Pt, CdS/Pt on graphene structures with typical enhancement factors of 2-5 timescompared to control samples.77–79” 该综述论文中引用本项目 3 篇论文，充分肯定了我们在光催化领域的工作。参考文献 77 为代表论文 3，文献 74 和 78 分别为代表论文 8 和 5。
       代表论文4：新加坡国立大学著名纳米材料专家Rajasekhar Balasubramanian教授在代表性引文3 (Progress in Materials Science, 2017, 90, 224-275)中，专门对本研究工作进行了重点评论，指出：“In addition, the reduction potential of graphene/graphene (0.08 eV vs. SHE, pH = 0)is more negative than the reduction potential of H+/H2, which implies that graphene can also itselfefficiently catalyze the HER [446]. Hence, in recent years graphene-based 3D compositeelectrocatalysts have also been widely investigated for potential application in PEC water-splittingdevices.” 该论文充分肯定了项目提出的graphene/graphene 的电极电势有利于氢离子还原产氢的观点。参考文献446为代表论文4。该论文还引用了代表论文6和团队其他论文。
       代表论文 5：苏州大学李述汤院士在代表引文 5(Science, 2015, 347, 970-974)中指出：“Many heterojunction composites with oxide semiconductors as well as photocatalyst systemswere investigated. The latter included systems with a variety of oxides (30) and sulfides (31) alongwith pure metals (19) and even graphene (32) and carbon nanotubes (33).”论文中充分肯定了该项目提出的 C3N4/Graphene 异质结光催化剂的工作。参考文献 32 为代表论文 5。
      代表论文 6：澳大利亚莫纳什大学马拉西亚分校著名光催化专家 Siang-Piao Chai 教授在代表引文 6 (Chem. Rev. 2016, 116, 7159-7329)中指出：“H2 makes a promising case to serve asan alternative fuel, as it represents a chemical fuel with the highest energy density (140 MJ kg−1)on a gravimetric basis.981 This value is significantly higher as compared to that for mosthydrocarbon fuels, such as petrol and diesel, which range from 40−50 MJ/kg.982” 该综述论文中引用本项目 20 篇论文，充分肯定了我们在光催化领域的工作。参考文献 981 为代表论文 6，文献 101 和 883 分别为代表论文 8 和 5。
      代表论文7：美国阿贡国家实验室的Yugang Sun和福州大学的徐艺军教授在代表引文7(Chem. Rev. 2015, 115, 10307−10377)中指出：“Hierarchical macro-/mesoporpous RGO-TiO2composites prepared by an in situ one-pot hydrothermal method have been utilized forUV-light-driven photocatalytic degradation of acetone in gas phase.333 The 0.05%RGO-TiO2composite presents the highest reaction rate, which is 1.7- and 1.6-fold of blank TiO2 andcommercial Degussa P25, respectively, as displayed in Figure 39A. The enhanced photoactivity ofRGO-TiO2 has been ascribed to the addition of RGO as an electron acceptor and transporter toinhibit the recombination of photogenerated electron−hole pairs instead of the adsorptioncapacity” 该论文充分肯定了石墨烯增强TiO2光催化活性和减少光生电子和空穴复合的观点。参考文献333为代表论文7，该论文还引用了代表论文4和代表论文8。
       代表论文8：希腊国家科学中心的Vasilios Georgakilas和捷克帕拉茨基大学Radek Zboril教授在代表引文8 (Chem. Rev. 2012, 112, 6156−6214)中指出：“The specific methods ofgraphene doping to control the type and concentration of charged carriers are summarized insection 5. A recent number of reviews have dealt with graphene application in biosensors, energystorage and production, and photocatalysis.48−51” 该论文充分肯定了石墨烯改性、载流子类型和浓度控制以及潜在的应用的观点。参考文献50为代表论文8。

       2、第三方对本项目成果的综合评价
       法国蒙彼利埃大学的国际著名学者 Damien Voiry 和美国罗格斯大学 Manish Chhowalla4教授在 Nature Reviews Chemistry, 2018, 2, UNSP 0105 的综述论文中引用本项目 3 篇论文，也包括代表论文 2，充分肯定了本项目提出的 MoS2 和石墨烯作为助催化剂协同增强 TiO2光催化产氢性能的工作和观点。
      国际著名科学家、美国工程院院士、斯坦福大学教授 Jens K. Nørskov 在 Nature Materials,2017, 16, 70-81 的综述论文中引用代表论文 2 作为产氢光催化剂的典型文献进行引用。丹麦科学院和工程院两院院士、奥胡斯大学的 Flemming Besenbacher 教授在 NatureChemistry, 2014, 6, 248-253 的研究论文中引用代表论文 2，充分肯定了 MoS2作为产氢助催化剂的工作。
      国际著名学者、欧洲科学院院士法国波尔多第一大学的 Didier Astruc 教授在 Progress inMaterials Science, 2018, 94, 306-383 的综述论文中引用本项目 8 篇论文，也包括代表论文 6和 8，充分肯定了本项目关于石墨烯作为光催化剂载体、减少光生电子和空穴复合和催化光催化产氢的观点。
      著名光催化专家、英国皇家学会院士、帝国理工学院的 James R. Durrant 教授在 Chem.Soc. Rev., 2013, 42, 2281-2293 中引用本项目 3 篇论文，包括代表论文 3、5 和 8，充分肯定了石墨烯作为有效的电子导体，从而提高光催化活性的观点。
      台湾成功大学著名光催化专家 Hsisheng Teng 教授在 Materials Today, 2013, 16, 78-84 一文中引用项目组 9 篇论文，也包括代表论文 1、2、4、5、7 和 8，并在论文中多次用大的篇幅引用该项目的工作，充分肯定了本项目提出的石墨烯增强光催化活性的观点。
       据检索，在国际相关领域最有影响的 Nature Review Chem、Chem Rev、Chem Soc Rev、Prog Mater Sci、Mater Today、Account Chem Res 等综述期刊以及 Science、Nature Mater、Nature Chem、Narure Energy、Nature Commun、Adv Mater、JACS、Nano Lett、Energy EnvironSci 等学科顶级期刊的综述和研究论文中对本项目的成果作了大量引用和评述，例如最早发现光催化现象的国际著名学者 Fujishima 教授、最早发现染料敏化 TiO2纳米晶太阳能电池的国际著名太阳能专家 Gratzel 教授、国际著名材料化学家 Markus Antonietti 教授、韩国国际著名光催化专家 Choi 教授等多位国际著名学者都分别在他们的综述或研究论文中大量引用和评价了本项目论文。
       主要完成人：武汉理工大学余家国，国家纳米科学中心宫建茹，武汉理工大学向全军