2018年国家科学自然科学奖提名公示

2018年国家科学自然科学奖提名公示一、项目名称：软界面电分析化学的若干问题研究二、提名者及提名意见：毛兰群：研究员，中国科学院化学研究所，分析化学高松：教授，北京大学，无机化学严纯华：教授，兰州大学（原南开大学），无机化学提名意见我认真审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。该项目属于化学科学中的分析化学研究领域。该项目主要针对如何构筑新型液/液与液/人工膜界面，以及这两类界面上电荷转移反应的瓶颈问题开展了深入系统的研究。在发展研究液/液界面电分析化学的新技术与新方法；改进液/液界面上快速电荷转移反应动力学参数的测量方法并发展相关理论；构建新型人工膜界面并探索其在电化学传感及电催化中的应用等方面取得了一系列创新性的研究成果，解决了软界面电分析化学领域中的一些关键科学问题，推动了该领域的发展，在国际软界面电分析化学领域中占有一席之地。该项目有关研究成果发表在EnergyEnviron.Sci.、J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.和Anal.Chem.等本领域的权威期刊上，受到了国内外同行的广泛引用和高度评价，并引领了后续研究，有力推动了软界面电分析化学的发展。该项目整体达到国际领先水平。对照国家自然科学奖授奖条件，推荐该项目申报2018年度国家自然科学奖二等奖。推荐人：中国科学院化学所，毛兰群，研究员2018年1月5日提名意见我认真审阅了该项目的推荐书和附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。该项目属于化学科学中的分析化学研究领域。该项目主要针对如何构筑新型液/人工膜界面与液/液界面，以及这两类界面上电荷转移反应等瓶颈问题开展了深入系统的研究。发展了一系列构筑软界面的新方法和研究液/液界面电分析化学的新技术；改进了液/液界面上快速电荷转移反应动力学参数的测量方法并发展相关理论；构建了新型人工膜界面并探索其在电化学传感、logP测量及电催化中的应用，解决了软界面电分析化学领域中的一些关键基础科学问题，推动了该领域的发展。该项目八篇代表作发表在EnergyEnviron.Sci.、J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.和Anal.Chem.等本领域的权威期刊上，SCI他引1767次，单篇最高SCI他引709次。引领了后续研究工作，有力推动了软界面电分析化学的发展，在国际该领域占有重要地位。该项目整体达到国际领先水平。对照国家自然科学奖授奖条件，积极推荐该项目申报2018年度国家自然科学奖二等奖。推荐人：高松，北京大学教授，中科院院士2018年1月5日三、项目简介该项目属于分析化学领域中的电分析化学。分析化学的创新是解决诸如疾病早期诊断、食品安全和环境污染等关乎民生重大问题的关键。在电分析化学研究中，界面问题和电荷（电子和离子）转移反应是发展与创新各类电分析化学技术和方法的核心。电分析化学所涉及的界面主要包括固/液与软界面，软界面通常包括液/液（油/水）、液/离子液体和液/膜（人工膜与生物膜）界面等。十多年来，该团队主要针对如何构筑新型液/液与液/人工膜界面，以及这两类界面上电荷转移反应的瓶颈问题开展了深入系统的研究，在发展新型研究技术、方法与理论等方面取得了创新性的研究成果，解决了软界面电分析化学领域中的一些关键科学问题，推动了该领域的发展，在国际软界面电分析化学中占有一席之地。重要科学发现如下：1发展了一系列构筑软界面的方法和研究液/液界面电分析化学的新技术。在国际上最早提出对单壁碳纳米管(SWNTs)羧基化及采用分散滴涂法解决了制备SWNTs人工膜电极的关键问题；提出了采用超小MoS2纳米颗粒和自组装构筑析氢催化界面的新策略。发展了一种研究液/液界面电分析化学的新方法-液滴三电极技术；并将该技术与扫描电化学显微镜（SECM）结合，解决了长期困扰SECM无法用于研究极化液/液界面上电荷转移过程的问题；也解决了长期以来对于液/液界面上电子转移反应的标准速率常数与外加电势之间究竟是什么关系的争论。相关工作得到著名学者Bard和Girault的充分肯定和广泛引用。2发展了液/液界面上电荷转移反应动力学参数测量的方法及相关理论、拓展了SECM的应用范围、解决了该领域的一些关键科学问题。发展和改进了制备纳米电极的方法；拓展了测定液/液界面上快速电荷转移反应动力学参数的方法-纳米管伏安法；基于两种理论模型，得到了等同的稳态电流公式，解释了为什么随着玻璃管半径的减小，实验上得到的界面上离子转移反应的循环伏安图从不对称变为稳态的原因；开创了扫描离子电导显微镜研究液/液界面的新方法。研究成果得到著名学者Compton和Kakiuchi，以及期刊NatRevMicrobio的正面评价。3新型软界面在电化学分析及电催化中的应用。基于所构筑的新型软界面和发展的研究技术，发展了一种测定制药工业界重要参数logP的新方法。利用SWNTs人工膜界面提出了分析检测生物分子的新方法；建立了电聚合制备聚吡咯和MoSx膜作为高效电催化析氢界面。相关结果得到国内外的广泛引用，并得到著名学者Gooding、Wang等的充分肯定。8篇代表作SCI他引1767次，单篇论文最高他引709次。阶段性成果分别获得教育部自然科学一等奖和二等奖各一项；培养了长江特聘教授、全国百篇优秀博士论文奖获得者和梁树权分析化学奖获得者各一位；项目完成人应邀为“HandbookofElectrochemistry”撰写专章，为ChemSocRev撰写专题评述。担任Talanta和《中国科学：化学》等多个期刊编委或副主编。四、客观评价1.1重要科学发现点一第三方评价有关碳纳米管修饰电极的第一篇工作（代表作1）于2001年在Anal.Chem.上发表后，受到了国内外同行的广泛关注，引发了碳纳米管电化学的研究热潮，SCI他引709次，并因此获得了ThomonReuters公司颁发的“ResearchFrontsAward2008”。发表于JACS,2002,124,12664,Adv.Mater.,2008,20,743和ACSNano,2012,6,1732等论文引用了有关羧基化的氧化还原峰的结果。发表于“Anal.Chem.,2005,77,3183”的一文中提到“单壁碳纳米管作为电化学传感器的最早研究展现了它们有快的ET动力学，能作为生物传感器极好的能量转换器。这引起了最近将碳纳米管应用于生物传感平台的研究热潮。”发表于“Adv.Mater.,2009,21,3105”的文章指出该工作采用简便的滴涂方法制备碳纳米管修饰电极。发表于“Anal.Chem.,2006,78,331”的一文在引用该工作的结果时指出“碳纳米管有稳定的电化学行为，催化多巴胺、肾上腺素和抗坏血酸的电化学反应等”充分肯定了所得到的结论。还有多篇综述包括EnergyEnviron.Sci.,2014,7,538;Coordin.Chem.Rev.,2011,255,1970等给予该工作充分肯定。瑞士EPFL学者Hu教授等在其综述文章（Chem.Sci.Rev.,2014,43,6555）中引用本项目代表作2，其评述道“通过超声和离心的组合方法从体相制备直径为1.47±0.16nm的超小二硫化钼纳米粒子，利用形成硫金键的方式自组装这些纳米粒子在金电极上，显著增强了金电极析氢反应的电催化活性。”南洋理工大学的王鑫教授在其综述（ACSCatal.,2014,4,1693）中引用相同的工作，并评论“这个工作有效的提出了一个制备对于析氢反应有活性的单分散二硫化钼纳米粒子的简易方法和一个使构筑的二硫化钼膜实现了硫边缘富集的新方法。”国内学者张瑜教授在综述文章（Chem.Sci.Rev.,2015,44,5148）中也引用了该工作。另外有多篇文章包括Adv.Mater.2016,28,7640；Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,12252；Nat.Commun.2016,7,12269;J.Am.Chem.Soc.2013,135,17881等肯定了我们的工作。美国科学院院士A.Bard教授等在（Ann.Rev.Anal.Chem.,2008,1,95）中引用代表作3和4，并评论“Sun等人在极化界面上施加电势以控制ET，观察到了不同水相和有机相氧化还原介质组合的Marcus翻转行为”；以及“利用SECM测定极化界面加速离子转移反应速率常数，其结果与之前利用纳米管伏安法所得的结果非常一致。”牛利研究员等在其论文（Anal.Chem.,2011,82,7857）中评论“Shao等开创了利用液滴三电极技术研究液/液界面离子转移能的方法”；他们在另一篇论文（Phys.Chem.Chem.Phys.,2012,14,3659）中引用本项目论文（Anal.Chem.,2003,75,4341），并评述“Shao等人将KCl溶液滴在Ag/AgCl固体参比电极上，构建了另一种液滴修饰电极用于研究各种生物分子的转移。”匹茨堡大学的Amemiya教授在其工作（JACS,2011,133,16300）中引用本项目论文（J.Phys.Chem.B,2002,106,7809）中的结果“较大的离子转移速率常数k0范围：2x10-2-2cm/s和转移系数α范围：0.4–0.6。”卢小泉教授在其综述（Anal.Chim.Acta,2007,601,10）中也引用了以上2篇代表作及其它7篇本项目论文，充分肯定了利用SECM和液滴三电极相结合的技术对测定液/液界面上加速离子转移反应动力学行为的重要性。著名化学家瑞士EPFL的Girault教授在Bard等主编的丛书（ElectroanalyticalChemistry,2010,23,1）中称“Shao等人开创了利用SECM研究高外加驱动力下加速离子转移反应的新方法”，并大篇幅引用了该工作的结论“FIT速率常数k0与外加电势的范围有关。当外加电势较小时，k0与外加电势的关系符合Butler-Volmer方程；对于可在很宽的电势范围内加速转移的Li+，lnk0与电势呈抛物线关系，即Marcus翻转区域。”1.2重要科学发现点二第三方评价德国奥登堡大学的Wittstock教授在其综述性文章（Angew.Chem.Int.Ed.,2007,46,1584）中引用代表作4“电催化电极的微观表征在很多领域起着非常重要的作用，比如化学传感器、电合成以及燃料电池技术的发展等。SECM的信号对于异相动力学的依赖使得SECM成为对现有方法的一个很好的补充。著名电化学家M.Mirkin教授等在论文（JACS,2010,132,16945）中引用本项目代表作5和6，并评价“纳米级探针确保了足够高的传质速率，使得快速离子转移动力学研究可以在纳米管支撑的水/有机相界面进行。”Whiteley教授在Nat.Rev.Microbio.,2013,11,337引用论文Anal.Chem.,2001,73,5346时评论“最近可以在纳米尺度进行超微电极制备，它们可以作为SECM的探头，使SECM成像分析可以在更高空间分辨率下进行”；澳大利亚Curtin大学的Arrigan教授在文章（Electroanal.,2011,23,1023）和（Analyst,2011,136,4674）中引用代表作4，并评价“微米和纳米级液/液界面具有较大的扩散传质流，增加了电流密度，因此具有更为灵敏的分析响应。”汪尔康院士等在文章（Electroanal.,2004,16,1014）中引用本项目3篇论文，并评价“一系列天然或合成的大分子离子载体，包括15-冠醚-5，端烯基液晶冠醚等，被用于研究液/液界面上阳离子的加速转移，尤其是碱金属或碱土金属。”Kakiuchi教授在（J.Electroanal.Chem.,2008,621,297）中引用了本项目论文（J.Electroanal.Chem.,2005,579,89），并分别评论道，“