物质科学

是自然科学研究的基础，其进一步发展需要借助全新的研究手段深入理解复杂的物理化学过程。目前，物质科学的研究手段已经从单一、静态、非限域、非工况条件，向新型具有空间分辨率和时间分辨率的原位和工况方向发展。科学家们认识到需要发展全新的表征手段和表征方法学，在原位条件下将制备/表征/测量结合在一起，实现物理化学动态过程在纳米甚至于原子尺度上的精确可控观测，才会为未来的物质科学发展带来革命性的提升。

物质科学原位中心

因应国际学科前沿发展和结合国家战略需求，上海交通大学依托上海交通大学化学化工学院建立了物质科学原位中心，原位中心的设计和建设即以研究和解决物质科学所面临的关键问题为核心，集成世界先进的显微技术、谱学技术与前沿的理论计算工具，为先进材料、能源化学化工、可再生能源、生物工程、光电信息技术等物质科学前沿领域与重大应用方向提供先进表征支撑。

原位中心通过统合世界上最先进的球差校正环境透射扫描电镜，环境扫描电镜，原子力显微镜，实验室用X射线吸收光谱，原位XRD等一系列设施，实现从微米到原子的跨尺度结构与化学性质的表征集成，获得原位工况条件下微米、纳米、原子尺度上的物理化学/电学/磁学/力学的精确测量和原位动态追踪。

利用原位中心的强大表征能力，上海交通大学化学化工学院陈立桅教授、刘晰研究员和英国卡迪夫催化中心Graham Hutchings教授等人研究了氧化物负载金钯催化剂原位生成过氧化氢实现氨氧化制备尼龙单体环己酮肟过程中催化剂在原子尺度的微观结构和构效关系。原位直接合成过氧化氢完成包括氨氧化在内的一系列化学反应，对于发展绿色化学化工具有非常重要的意义，但是长期以来进展有限，无法达到化工生产的要求。

在这个研究中研究者发现利用浸渍法简单制备的钛硅分子筛负载金钯催化剂就可以实现直接从氢气，氧气，碳酸氢铵和环己酮一步法高选择性制备环己酮肟，得到近100%的环己酮选择性，近100%的氨选择性和67%的氢气选择性，其环己酮肟产率与工业过氧化氢氨氧化获取产率相同，第一次验证了原位过氧化氢合成与氨氧化耦合实现绿色化工生产的新路径。

钛硅分子筛负载金钯催化剂实现原位生成过氧化氢氨氧化反应途径

为了理解其催化构效关系，研究者利用环境球差透射电子显微镜对反应前后的催化剂进行了详细的研究，发现研究者发现一个非常重要的现象：钛硅分子筛中存在有两种成分，绝大多数颗粒成分是高硅含量的钛硅分子筛，但是存在有少量的富钛氧化物颗粒，这导致了负载的贵金属具有明显的二元分布，直径为10-20纳米左右的金钯合金纳米颗粒主要存在于富钛氧化物上，而在富硅颗粒上只存在小颗粒金属钯。这说明金更倾向于吸附在氧化钛载体上，而钯在钛硅分子筛和氧化钛上吸附没有太大差别。当催化剂进一步煅烧及还原，富钛颗粒上就能够形成金钯合金颗粒和一些金属钯小颗粒，但是钛硅分子筛上只存在金属钯小颗粒。催化剂的特殊成分及其对金/钯阳离子不同的吸附能力导致形成这种特别的二元催化体系。进一步的机理研究揭示了金钯颗粒能够催化过氧化氢的原位生成，而钛硅分子筛完成了过氧化氢氨氧化反应。

钛硅分子筛负载金钯催化剂实现原位生成过氧化氢氨氧化反应途径

这项工作通过先进的催化剂设计，详尽的实验以及充分的微观结构表征，第一次成功的将原位过氧化氢合成与现有化工品生产进行结合，在科学上和技术上证明利用原位合成过氧化氢实现绿色化工新路线的可行性与经济性。值得注意的是，从全文来看，除了大量详尽的催化数据之外，唯一放在正文的表征就是样品的电子显微镜图像，为读者显示了具有说服力的构效关系微观图像，从而有力的证明先进的电镜表征技术是绿色化学化工发展不可或缺的工具。

2021年物质科学原位中心一期建设基本完成，该中心将世界前沿的表征技术应用于物质科学领域并不断取得突破，其成果包括支化侧链取代策略构建了多尺度共混薄膜形貌的高性能有机太阳能电池（Nat. Energy 2021, 6, 605–613），构建双纤维网络形貌助力单结对有机太阳能电池效率的提升（2022, doi.org: 10.1038/s41563-022-01244-y）；同步静电纺丝/静电喷雾方法构建了富有连续界面的薄膜超离子导体并用于固态电池研究（2020, 142, 18035）；原位电镜技术观察到了金属颗粒与载体强相互作用导致的颗粒再分散行为（2021, 1191）；原子分辨二次电子成像技术研究纳米颗粒拓扑几何结构演化；新兴的可溶多孔有机笼基锂离子导体用于固态锂离子电池（2022, 2031）等优异工作。今天上线的Science工作进一步证明发展世界领先的表征技术对于物质科学研究和国家重大战略的强有力支持作用。

该项工作受到自然科学基金委的资助和上海交通大学物质科学原位中心的表征支持。

上海交通大学物质科学原位中心介绍

上海交通大学物质科学原位中心成立于2020年，是上海交通大学校级交叉研究平台，负责人为上海交通大学化学化工学院特聘教授陈立桅教授。原位中心以物质科学领域广泛的原位研究需求为基础，结合国际学科前沿和国家战略需求，集成世界最先进的原位以及工况下的显微与谱学技术，通过设计、开发新型原位反应装置和大数据处理平台，实现高空间分辨率原位功能成像及物质结构与化学价态的原位动态追踪。基于从微米到原子尺度下复杂化学体系中材料物化性能的原位、工况表征，为能源化学化工、先进材料、热能机动等物质科学前沿领域与重大应用方向提供重要技术支撑。原位中心现已配备世界先进的原位分析测试仪器，包括原位球差校正透射电镜，原位X射线吸收光谱仪，原位X射线衍射仪，扫描电镜等。目前在Science, Nat.Energy, Nat. Mater., Catal., Nat. Comm., JACS, Angewandte 等重要期刊上发表论文60余篇。

精彩回顾

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交大化院Nature:手性分子材料研究取得重要进展

祝贺张万斌团队成果入选上海交通大学第二届“十大科技进展”

官方微信：上海交通大学化学化工学院（i-scce）

官方网站：https://scce.sjtu.edu.cn/

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编辑：邱冬胜 赵逸杨

编辑：葛格