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11月21日，中国科学技术大学在国际顶级科研期刊《Nature》连续发表两项科研成果。中国科大在光催化PFASs低温脱氟领域取得重要进展11月21日，中国科学技术大学康彦彪教授、南京工业大学曲剑萍教授为共同通讯作者在全球顶尖学术刊物《Nature》发表了题为“Photocatalytic low-temperature defluorination of PFASs”的研究成果。中国科学技术大学是论文的第一完成单位。第一作者为为中国科大博士生张浩，第二作者是从本科就参与这项研究的中国科大硕士生陈锦祥。科研团队创制了扭曲促进电子得失的有机小分子超级光还原剂KQGZ，并基于此发展了低温（40-60℃）催化还原特氟龙等全氟及多氟烷基化合物的完全脱氟新方法。全氟和多氟烷基物质（PFAS）由于其分子内牢固的碳-氟键，具有独特的热稳定性、化学稳定性、疏水及疏油特性等，广泛应用于化工、电子、医疗设备、纺织机械、核工业等领域。但是碳-氟键的惰性也导致PFAS在自然环境或温和条件下难以降解。例如，特氟龙在260℃的温度下可以维持多年而不分解；而在500℃以上分解时则会释放出有毒气体。因此，PFAS被称为永久化学品。而被废弃于自然界中的PFAS，则引发了一系列的环境及健康问题。围绕上述挑战，中国科学技术大学研究团队基于在特定光照具有超强还原性的原理，设计创制了超级有机光还原剂（取名为KQGZ），首次实现了低温下特氟龙及小分子PFAS的完全脱氟矿化，将其高效回收为无机氟盐和碳资源。还原剂是能够提供电子的化学物质；而超级还原剂则是能够把电子注入到还原电位低于负3伏特的化学键的电子供体。该研究不仅首次报道了高度扭曲咔唑核对于超级光还原剂电子得失的促进作用，从而实现永久化学品的完全脱氟；也表明了光还原剂的激发态氧化电位，与其还原能力并无直接关联，并非判断光催化剂还原能力的唯一标准；能否对特氟龙等PFAS进行完全还原脱氟可作为有机还原剂的还原能力标准。 超级有机光还原剂（KQGZ）在光照下发射出超强荧光超级有机还原剂KQGZ是我国科学家独立设计创制、具有原创性的独特光还原催化剂，具有广谱的催化断裂牢固碳-杂以及杂-杂原子键的性能；在目前已经尝试的百余类反应中，均取得理想的结果。实验证明，其扭曲结构有效地促进了电子的得失，从而实现了超级还原作用，为新型超级光还原剂的设计和研制提供了新的思路。
中国科大在环保型磷化铟量子点LED工作机制研究中取得重要进展
11月21日，河南大学申怀彬教授、中国科学技术大学樊逢佳教授、北京交通大学唐爱伟教授、河南大学陈斐博士为共同通讯作者在全球顶尖学术刊物《Nature》发表了题为“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”的研究成果。河南大学是论文的第一完成单位。河南大学博士研究生卞阳阳和中国科学技术大学博士研究生严笑寒为该论文共同第一作者。科研团队利用EETA技术深入研究了绿色磷化铟基量子点发光二极管的关键科学问题，成功实现了绿色磷化铟基量子点LED的峰值外量子效率（EQE）达到26.68%，亮度突破270,000 cd/m²，并在初始亮度1,000 cd/m²下，T95（亮度衰减到起始值的95%）寿命长达1,241小时，刷新了世界纪录。LED显示照明是我国的支柱半导体产业。加快新兴显示照明LED（如量子点LED）研究，对于加强并保持我国的产业竞争优势，有着重要的意义。然而，由于缺乏原位、直观的表征手段，目前新兴LED的内部运行机制理解尚不充分，限制了新兴LED的研发速度。樊逢佳教授团队于2020年成功研发出世界首台电激发瞬态吸收（EETA）光谱仪（国家发明专利号：CN202011470295.0；PCT：WOCN21071264），这一技术可以给LED“拍片子”，全方位透视LED中的载流子和电场的时间分辨、空间分布等信息，为LED的机理研究提供关键的技术支持，推动LED领域的科学探索和技术进步。无镉无铅量子点由于其环境友好优势备受青睐，韩国三星集团投入巨大资源，于2019年和2020年分别发表两篇《自然》论文，展示他们在红蓝两色器件中所取得的进展。然而，绿色无镉量子点LED（目前主要采用磷化铟基量子点）在效率和寿命方面远落后于红色和蓝色环保型量子点LED，成为制约环境友好型全彩量子点LED产业化的关键。樊逢佳教授联合研究团队最新研究表明，当前绿色磷化铟基量子点LED性能较低的主要原因在于电子注入不足和严重的电子泄漏。为此，研究团队提出采用“低、宽势垒”的设计方案，既提升了电子注入效率，又有效抑制了漏电现象。通过这一优化，研究团队成功刷新了世界纪录。
金属载体相互作用MSI（metal-support interaction）是异相催化最重要的概念，但是因为界面的复杂特点，如何开发金属-载体相互作用的理论仍是个巨大挑战。有鉴于此，中国科学技术大学李微雪教授等报道基于实验研究、可解释机器学习、理论推导、第一性原理等进行结合，建立了基于金属-金属（metal-metal）相互作用和金属-氧化物（metal-oxygen）相互作用的金属-氧化物相互作用基本原理。这种原理能够用于氧化物载体担载金属纳米粒子/金属原子以及金属载体表面的氧化物膜。研究发现，后过渡金属催化剂构筑的金属-氧化物载体体系以及金属纳米粒子的表面氧化物封装结构，金属-金属间相互作用起到主导作用。通过对10种金属和16种氧化物的广泛实验，验证强金属-金属相互作用能够导致发生封装现象的原理。这项研究揭示的强金属-载体相互作用能够推动担载金属催化剂的设计。
基于压缩感知原理的数据驱动方法 SISSO (Sure Independence Screening and Sparsifying Operator)研究MSI相互作用。将相关报道出现的25种金属和27种氧化物构成的178个金属-氧化物界面研究MSI的关键参数，吸附能（Eadh）。为了保证数据的可靠性，通过液态金属颗粒滴加在氧化物的润湿实验取得数据。 首先考察了金属氧化物界面物理性质有关的各种物理参数，筛选了14个独立且重要特征。通过简单的数学算符，对超过300亿个数学表达式进行了全面探索，以确保模型的可解释性，而且不损害准确性。通过压缩感知方法，确定了二维模型。得到的模型对测试的数据集表现优异，准确性达到14meV/Å2，比神经网络模型以及其他描述符更好。Eadh模型含有Q(MO)和Q(MM)项。由于Eadh模型非常准确，因此能够用于预测氧化物载体修饰金属的接触角α，并且能够用于预测这种氧化物载体修饰金属的抗烧结能力。结果表明，当MSI的强度适中（不是太强或者太弱），而且接触角为~90°，具有最大的热稳定性。基于Young–Dupré方程|Eadh|=γM(1+cosα)，能够计算得到675种金属-氧化物界面的α接触角。VIII族金属的α角度主要分布在80°~120°之间，这接近最合适的接触角α。但是，币族金属具有较弱的MSI相互作用，大多数α都超过120°，因此容易烧结，需要增强MSI相互作用克服烧结问题。
图2. 金属载体相互作用的本质以及用于不同界面体系
由得到的MSI模型发现MSI相互作用由短程MOI和MMI所决定。当假定MSI由界面的临近化学键决定的时候，能够推导得到模型Eadh = α1•Q(MO) + α2•Q(MM′) + α0其中，α1和α2对应于界面金属-氧化学键和界面金属-金属化学键的数量，α0表示其他未考虑的影响。通过分别考虑MOI和MMI，能够分析MOI和MMI对MSI的贡献。结果表明MOI明显比MMI的变化范围更大，MSI的整体强度主要由MOI决定，每种不同金属导致MSI的强度不同，表明担载金属产生的影响。同时，MMI项能够区分不同金属氧化物载体修饰的金属，表明载体效应的影响。比如，对于修饰在不同氧化物载体上的Pt金属，虽然MOI的数值达到53meV/Å2，但是MMI的变化区间达到30~120 53 meV/Å2，说明后期过渡金属催化剂的M′亲和性对MSI起到主要作用。 MSI能够拓展用于金属载体表面的氧化物膜。这种氧化物膜能够用于研究SMSI效应和封装金属。结果表明，M′亲和力越强，粘附力越强。Pt、Rh、Ir、Ru和Pd表现出很强的粘附性，超过1.24eV/Fe原子（175meV/Å2），说明载金属M的强M′亲和力在包封中起着至关重要的作用。
这种MSI理论能够解释经典SMSI和封装体系。通过分子动力学模拟研究金红石TiO2（011）载体上含有305个原子的Pt、Pd、Rh和Ru簇（直径~3nm）的高温经典SMSI。表面优化的α范围106°~122°，表明MSI比较弱。同时，计算Cu和Ag体系，作为比较。通过引入12.5%的氧空位，模拟还原体系。
对于具有强M′亲和力[|Q(MM′)|>10.8eV]的Pt、Pd、Rh和Ru，观察到TiO2-x低价氧化物迁移到金属NP上，而且形成了封装的覆盖层结构，实验测试同样观察到这些体系的封装。对比的M′亲和力较弱[|Q(MM′)|<8.8 eV]的Cu和Ag，没有发生这种封装现象，这与Cu和Ag体系没有封装的实验结果是一致的。作者研究得到了产生封装现象的标准，当|Q(MM′)|>|Q(M′M′)|能够发生封装。根据Q的定义，能够将其转化为方程根据这个规律，研究了10种后过渡金属和16种氧化物载体发生封装的可能性，验证了这个理论能够对这些体系研究。比如，对于ZrO2、TiO2、CeO2价态为4价的氧化物，Ir、Pt、Ru、Rh具有更强的M′，因此产生封装。但是Ag具有更弱的M′，因此没有封装的驱动力。对于Pd、Ni、Co、Au、Cu等M′适中的金属，是否封装对于氧化物的性质非常敏感。Pd、Ni、Co、Au能够在CeO2和TiO2上封装，但是Cu在CeO2上封装。但是Pd、Ni、Co、Au、Cu无法对ZrO2发生封装。SiO2和Al2O3具有适中的|Q(M′M′)|，具有不可还原性和弱MSI，因此通常被认为是无法封装的载体，但是作者发现在非常苛刻的反应条件仍可能发生封装。
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