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Clarivate・Analytics发表「引文桂冠奖2017」

9月20日,Clarivate・Analytics发表了2017年引文桂冠奖。该奖项是汤森路透的引文桂冠奖(诺奖预测)的后身,通过对文献引用数据的分析后,对具有巨大影响力的研究进行的表彰形式,该奖项在每年诺奖发表前公布。今年医学生理学,物理学,化学领域的22名研究人员获得了该奖项。

本奖项的获奖者被认为是有力的诺贝尔奖候补者,本记事对化学领域的获奖者进行一下简单介绍。

对C-H活化做出决定性的贡献

John E. Bercaw (Caltech, 美国)
Robert G. Bergman (University of California Berkeley, 美国)
Georgiy B. Shul’pin (Russian Academy of Sciences Moscow, 俄罗斯)

C-H键是有机化合物中最广泛存在的一种化学键,如果能够直接活化后官能团化的话,这样就能够很简便的合成多样的化合物。而稳定的惰性的C-H键的活化一直是一个比较具有挑战性的课题,而这三人分别对该研究的发展作出了重要的贡献。

Bercaw教授对C-H活化的反应开发与反应机理的阐释做出了巨大的贡献[1]、而研究主要是以Alexander E. Shilov与Shul’pin教授发现的金属螯合物的光反应的C-H活化,例如铂卤化物催化进行的饱和C-H键的羟基化反应[2]。Bergman教授也是该领域的先锋之一,他运用二氢化Ir螯合物进行光反应,成功对饱和/不饱和C-H进行活化[3]。

生物体内的以酶CYP450为代表的对碳水化合物进行的氧化反应相信大家都是听过的。而在体外,如何运用合成化学的方法模拟生物体内的反应成为了一大课题,因为生物体内的合成一般具有很高的选择性与活性,而一旦能够模拟生物合成,那么很多很复杂的天然产物的合成也就变得简单了。同样的例如如果能用甲烷为原料合成甲醇的话,那么很多温室气体就能转化成染料,这样就能高效的解决很多环境与能源问题。所以该研究是一个颠覆常识的具有划时代意义的研究。

图1: (A) Shul’pin教授等人发现的、Bercaw教授进行机理解析的铂卤代物催化的饱和C-H的羟基化反应。(B) Bergman教授等人开发的二氢化Ir催化的光反应C-H活化。引用于文献[1,3]。

固体表面非均相催化体系的理论与应用上的贡献

Jens Nørskov (Stanford University, 美国)

不均一催化剂的表面・界面上是分子相互“遇见”的舞台,所以在微观视角来理解反应是非常重要的。现在随着计算化学的发展,常常用计算化学来帮助解释反应机理是一个常用的手段。而在非均相体系中,表面・界面上是不具有对称性,均一性的,所以值得推敲的精度很强的计算是非常困难的。

Nørskov教授在通过对交换・关联能量考虑后,成功对过渡金属表面上分子的吸附能进行了高精度的计算[4]、以这个为契机,阐明了各种系统的吸附状态和反应机理。其中最引人瞩目的是燃料电池的电极界面上,氧气的还原研究机理[5]与、特别是最近展开的常压下氨的新型合成法的建议与模拟图[6]。该方法克服了现有的高温高压合成法的弱点,很有可能是一个巨大的突破。由于其对基础研究上做出的重要贡献,通过精确的计算手法来设计催化反应,并且着眼于实用性,因此被广泛引用,并最终受赏。

图2:新型氨合成法的模式图。引用自文献[6]。

发现和应用钙钛矿材料实现有效的能量转换

宮坂 力 (桐蔭横浜大学, 日本)
Nam-Gyu Park (Sungkyunkwan University, 韩国)
Henry J. Snaith (University of Oxford, 英国)

钙钛矿太阳能电池,相信大家应该有所耳闻。这可谓是太阳能电池界的超级新星,在太阳能电池的开发历史上,钙钛矿太阳能电池的发展速度可以算是前无所有的,仅仅用了5年就提高到了20%以上的转化效率。

正确的说,钙钛矿的组成简单的写成ABX3的结晶结构、其中A site的为有机分子(典型的为甲基胺正离子,CH3NH3),B site为铅阳离子,X site为卤素,就是这样一种组合为目前的主要研究方向。大致的印象就是铅卤代物的八面体结构形成一个个格子状,在格子的缝隙里面嵌入有机分子的构造。由于钙钛矿是有机与无机的混合化合物,因此有时候也被叫做混合钙钛矿。在刚开始那会儿主要是以CH3NH3 Pb I3为主,最近才开始进行一系列的组合的改变的摸索。

图3:有机无机混合铅卤代物钙钛矿结构的模式图。钙钛矿构造为ABX3、A=CH3NH3, B=Pb, X=I的组合最为常见。

宮坂教授在2009年把CH3NH3PbI3作为色素敏化太阳能电池敏化剂使用、得到了转换效率3.8%的太阳能电池[7]。该论文是世界首次运用铅卤代钙钛矿为太阳能电池材料。由于例子输送的液体层的稳定性问题,当时效率并不是太高,之后在2011年Park教授首次成功对设备进行了全固化[8]、2012年Snaith教授与宮坂教授同事把效率提高到了10%[9],从那时起钙钛矿的研究就成井喷式发展。而色素敏化电池的发明者之一的Michael Graetzel教授也开发出了简便的device的制作手法,对该领域也有非常大的贡献[10]。

除了太阳能电池,发光设备,光检测器等,光电领域也得到了全面的发展,随着全球能源问题的日趋严峻,今后该领域依旧会是一个比较热点的领域。

 

该奖项被称为诺奖有力竞争者的风向标,而今年的诺奖化学奖会不会在这些人中产生呢?

10月4号敬请期待!

 

相关文献

  1. “C-H activation by aqueous platinum complexes: A mechanistic study” Luinstra, G. A.; Wang, L.; Stahl, S. S.; Labinger, J. A.; Bercaw, J. E. J. Org. Chem.1995, 504, 75. DOI: 10.1016/0022-328X(95)05567-9
  2. “Activation and catalytic reactions of alkanes in solutions of metal
    complexes” Shilov, A. E.; Shulpin, G. B. Russ. Chem. Rev. 1987, 56, 442. DOI: 10.1070/RC1987v056n05ABEH003282 
  3. “Carbon-hydrogen activation in completely saturated hydrocarbons: direct observation of M + R-H .fwdarw. M(R)(H)” Janowicz, A. H.; Bergman, R. G. J. Am. Chem. Soc 1982, 104, 352. DOI: 10.1021/ja00365a091
  4. “Improved adsorption energetics within density-functional theory using revised Perdew-Burke-Ernzerhof functionals” Hammer, B.; Hansen, L. B.; Nørskov, J. K. Phys. Rev. B 1999, 59, 7413. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.7413
  5. “Origin of the overpotential for oxygen reduction at a fuel-cell cathode” Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Logadottir, A.; Lindqvist, L.; Kitchin,J. R.; Bligaard, T.; Jonsson, H. J. Phys. Chem. B2004, 108, 17886. DOI: 10.1021/jp047349j
  6. ”Ammonia synthesis from N2 and H2O using a lithium cycling electrification strategy at atmospheric pressure” Joshua, M.; Singh, A. R.; Schwalbe, J. A.; Kibsgaard, J.; Lin, J. C.; Cargnello, M.; Jaramillo, T. F.; Nørskov, J. K. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 1621. DOI: 10.1039/C7EE01126A
  7. ”Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells” Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Ame. Chem. Soc. 2009, 131, 6059. DOI: 10.1021/ja809598r
  8. ”Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%” Kim, H. S.; Lee, C. R.; Im, J. H.; Lee, K. B.; Moehi, T.; Marchioro, A.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Yum, J. H.; Moser, J. E.; Grätzel, M.; Park, N. G. Sci. Rep. 2012, 2, 591. DOI: 10.1038/srep00591
  9. ”Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide perovskites” Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Science 2012, 338, 643. DOI: 10.1126/science.1228604
  10. ”Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells” Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S. J.;  Humphry-Baker, R.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Nature 2013, 499, 316. DOI: 10.1038/nature12340

关联链接

  1. Identifying extreme impact in research, Clarivate Analytics uses citations to forecast Nobel Prize winners

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京都大学药学博士,现某化学企业研究员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。
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