【原创】国际一流的材料基础研究平台——沈阳材料科学国家研究中心概况

中国粉体网讯 

1、中心简介

作为我国首批建设的6个国家研究中心之一，沈阳材料科学国家研究中心（以下简称“国研中心”）是在原沈阳材料科学国家（联合）实验室和已形成优势学科群基础上，依托中国科学院金属研究所，于2017年11月21日由科技部正式批准组建，并于2018年4月14日正式通过科技部组织的国研中心组建实施方案专家论证会。国研中心主管部门为中国科学院，首届国研中心主任为卢柯院士。

国研中心主任卢柯院士

国研中心定位于创建国际一流的综合性材料基础研究平台，在已经形成优势学科基础上，进一步交叉融合，开展材料科技领域的前瞻性、战略性、前沿性学科交叉基础研究。

国研中心主要针对材料领域核心科学问题和共性关键技术问题，开展基础及应用基础研究，引领材料科学发展，形成显著国际学术影响力；促进材料技术进步和材料品质提升，催生材料新技术，满足国家重大工程和经济建设可持续发展的需求。同时，将建立高水平开放共享研究平台及运行机制，营造学科交叉融合创新的学术环境，凝聚和培育一批国际一流的材料科学家和专业技术人才，打造材料研究领域人才和技术高地。

2、学术委员会成员

3、研究部门

4、研究领域

• 构筑金属材料
  

• 非晶合金及其复合材料
  

• 金属基复合材料
  

• 块体纳米金属的力学行为
  

• 非晶态合金涂层
  

• 材料界面与缺陷的超高分辨电子显微学
  

• 金属形变动力学的定量电子显微学
  

• 低维铁电功能材料
  

• 材料结构与缺陷理论计算
  

• 扫描透射电镜微分相衬成像技术
  

• 极限尺寸纳米金属
  

• 变形纳米孪晶
  

• 纳米金属使役行为
  

• 纳米金属化学行为
  

• 纳米多孔金属
  

• 热障/环境障一体化陶瓷涂层
  

• 超高温结构材料及防护涂层
  

• 结构陶瓷功能化
  

• 薄膜与微小尺度材料及力学行为
  

• 先进核用陶瓷材料
  

• 碳纳米管的可控制备与应用
  

• 石墨烯等二维材料
  

• 纳米碳基柔性电子器件
  

• 新型电化学能源材料与器件
  

• 先进能量转换材料与器件
  

• 多糖纳米材料的非对称构筑
  

• 多孔材料仿生构筑与多孔场效应
  

• 复合材料的低成本跨尺度构筑
  

• 结构化催化材料
  

• 功能化高能金属
  

• 功能薄膜中的交换耦合与磁电耦合
  

• 拓扑绝缘体纳米结构和器件
  

• 磁性相变的中子散射研究
  

• 铁电薄膜与器件
  

• 特殊钢
  

• 大型特殊钢构件
  

• 特种焊材
  

• 合金计算设计及方法研究
  

• 素钢材料设计
  

• 薄膜材料与界面
  

• 能源催化材料
  

• 环境与可持续发展功能材料
  

• 热电材料与器件
  

• 量子材料与量子调控
  

• 特种型材工艺及可靠性
  

  
  

5、科学发现（部分）

（1）米级单壁碳纳米管薄膜的连续制备及全碳电路构建

高质量、大面积碳纳米管薄膜的制备是制约其器件应用的关键瓶颈。通常的湿法分散、成膜工艺不可避免地带来杂质和缺陷，并导致器件性能劣化。为此，国研中心发展了一种连续合成、沉积和转移单壁碳纳米管薄膜的技术方法，实现了米级尺寸高质量单壁碳纳米管薄膜的连续制备，并利用其构建出高性能的全碳薄膜晶体管（TFT）和集成电路（IC）器件。采用浮动催化剂化学气相沉积方法在反应炉的高温区域连续生长单壁碳纳米管，然后通过气相过滤和转移系统在室温下收集所制备的碳纳米管，并通过卷到卷转移方式转移至柔性PET基底上，获得了长度超过2 m的单壁碳纳米管薄膜。对该过滤沉积过程进行流体仿真，其结果表明当调节出气口速度使抽滤过程处于平衡状态时，该过滤系统中的气流呈现出均匀的气流速度分布。通过该方法制备的单壁碳纳米管薄膜表现出优异的光电性能和分布均匀性，在550纳米波长下其透光率为90％、方块电阻为65Ω/□。利用所制备的碳纳米管薄膜构筑了高性能全碳柔性透明TFT以及异或门、101阶环形振荡器等柔性全碳IC。该米级长度的单壁碳纳米管薄膜的连续生长、沉积和转移技术为开发基于单壁碳纳米管薄膜的大面积、柔性和透明电子器件奠定了材料基础。单壁碳纳米管薄膜的连续制备技术已获得中国发明专利（ZL201410486883.1），相关论文在Advanced Materials发表。

（2）氧化石墨烯的绿色高效制备与功能薄膜应用

由于含氧官能团的存在，氧化石墨烯具有水溶性、易于组装和官能化等特点，在分离膜、高强纤维、催化、储能、复合材料等领域具有重要应用前景。然而，现有制备方法一般基于石墨与浓硫酸、高锰酸钾等大量的复合强氧化剂的反应来实现，不仅存在爆炸的风险，而且污染严重、反应周期长。国研中心提出了一种基于电解水氧化制备氧化石墨烯的新方法，打破了150多年来通过强氧化剂反应对石墨进行氧化的传统思路，实现了氧化石墨烯的安全、绿色、高效制备。研究发现，氧化过程是由电解水产生的高活性氧自由基与石墨片层的反应来实现的，其氧化速率比现有方法快100倍以上，氧化程度可控，且易于连续化制备。目前，该技术已转让成立公司，建成了年产10吨的中试线。在此基础上，基于流体力学原理，发明了一种连续离心浇筑方法，实现了高定向、高致密的氧化石墨烯薄膜的高效规模制备，所得薄膜在还原后表现出优异的力学和电学性质。该方法具有很好的普适性和可控性，可用于制备氧化石墨烯与其他材料的杂化薄膜、各项异性的复合材料薄膜以及其他二维材料的薄膜和垂直异质结构。此外，还提出了以单宁酸和茶氨酸等小分子有机物作为还原剂和交联剂制备具有超高水通量的高稳定性氧化石墨烯基分离膜的方法。上述结果在Nature Communications上发表论文3篇，并申请了国家发明专利和PCT专利，推动了氧化石墨烯的应用研究。

（3）部分碳包覆Co催化剂可控生长窄带隙分布的半导体性单壁碳纳米管

单壁碳纳米管（SWCNT）因碳原子的排布方式不同可表现为金属性或半导体性，其中半导体性单壁碳纳米管具有纳米尺度、良好的结构稳定性、可调的带隙和高载流子迁移率，被认为是构建高性能场效应晶体管的理想沟道材料，并有望在新一代柔性电子器件中获得应用。然而金属性和半导体性SWCNT的结构差异细微，通常制备得到的碳纳米管中含有约三分之一金属性和约三分之二半导体性SWCNT，这种不同导电属性SWCNT的混合物难以用于高性能电子器件的构建。故高质量半导体性SWCNT的可控制备是当前碳纳米管研究的重点和难点。

国研中心设计并制备了一种橡树果状的部分碳包覆Co纳米颗粒催化剂，包覆碳层可以有效阻止催化剂颗粒团聚长大，部分暴露的Co纳米颗粒使得SWCNT仅以垂直模式形核生长。同时，采用嵌段共聚物自组装法制备的催化剂颗粒具有优异的结构均一性和单分散性。采用这种催化剂通过控制催化剂尺寸和形核模式实现了SWCNT的直径控制（平均直径1.7 nm，90%以上集中于1.6-1.9 nm范围内），进而采用氢气原位刻蚀去除化学反应活性较强的金属性SWCNT，获得了窄带隙分布（~0.08 eV）、高纯度（>95%）、高质量的半导体性SWCNT。以此为沟道材料，构建出高性能薄膜场效应晶体管器件，其开关比大于3×103，平均载流子迁移率达95.2 cm2v-1s-1。部分碳包覆金属复合结构催化剂的研制为SWCNT的可控生长提供了新思路；所得高质量、高纯度、窄带隙分布半导体性SWCNT为其在场效应晶体管等器件中的应用奠定了材料基础。相关结果发表在 Nat. Commun. 7 (2016) 11160。

（4）化学滴定法定性和定量纳米碳催化氧化脱氢反应活性中心

纳米碳材料在烷烃的氧化脱氢反应中展现出其独有的优势，经过近几年的迅猛发展，相关领域在新型纳米碳催化剂的开发制备，新颖催化反应体系的建立等方面获得了多项突破性的进展。然而，由于纳米碳表面结构原位表征方法的缺失，研究者对涉及纳米碳催化本质的若干核心问题， 如：催化活性中心的种类和数目，催化剂本征催化活性的衡量和比较等方面认识不足，如何在分子和原子尺度上认识纳米碳催化过程成为一个重要的课题。

催化材料研究部苏党生研究员，齐伟博士等人提出了一种新颖的定量碳纳米管上主要含氧官能团表面浓度的化学滴定方法。苯肼、苯甲酸酐和2-溴苯乙酮等能够分别选择性地和碳纳米管表面的酮羰基、酚羟基和羧基进行定量反应，进而计算出纳米碳管表面这几种主要含氧 官能团的浓度。更进一步，通过对几种纳米碳管衍生物在乙苯氧化脱氢反应中展现出的催化活性的比较，首次通过化学方法直接证明了酮羰基基团是纳米碳催化的活性中心（Angew. Chem. Int. Ed. 52 (2013) 14224）。

该方法的创新之处在于能够直接给出纳米碳管表面含氧官能团的绝对含量，避免了传统的程序升温脱附或XPS分析方法在分峰、峰位指认等过程中主观经验带来的误差，具有其特有的优势。同时，根据滴定结果得到的羰基表面浓度能够计算得到纳米碳管催化烷烃氧化脱氢反应的TOF数值，能够反应纳米碳催化剂的本征催化活性，为不同催化材料活性的客观比较以及纳米碳催化反应机理和动力学的研究提供了重要的参考价值。

（注：以上仅为国研中心极小部分成果，更多科学发现可在国研中心官网查阅。）

资料来源： 沈阳材料科学国家研究中心官网

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