正文

未来全球15大热门研究方向出炉!你的专业在里面吗?

  2. 非富勒烯聚合物太阳能电池

  Fullerene-free polymer solar cells

  聚合物 / 富勒烯太阳能电池以其成本低廉、质量轻、柔性和半透明等一系列特质,在过去数年内成为第三代太阳能电池中的研究热点,但富勒烯及衍生物在可见光和近红外区具有吸收弱、化学合成步骤繁琐、电学性能和分子结构固定等一系列缺点,导致聚合物/富勒烯太阳能电池效率进一步提高的前景不佳,而非富勒烯聚合物太阳能电池的受体材料是聚合物,在可见光区具有强而宽的吸收峰,在结构和能级上具有很高的调控度,有望代替聚合物/富勒烯太阳能电池,然而到目前为止,非富勒烯聚合物太阳能电池的最高效率相比于聚合物/富勒烯太阳能电池仍然存在很大差距,如何提高非富勒烯聚合物太阳能电池的光电效率是当下的核心研究问题。

  根据高被引文献分析,非富勒烯类受体的研究一直是该领域的研究焦点,例如以绕丹宁和噻唑烷-2, 4-二酮为端基的不对称结构有机受体分子、含萘并二噻吩小分子受体材料、基于苝二酰亚胺结构的小分子受体、萘酰亚胺 - 卟啉星型电子受体分子等;此外,在非富勒烯聚合物太阳能电池研究中,由于聚合物太阳能电池的光活性层通常采用溶液旋涂的方式进行加工,溶剂的选择对其形貌以及电池的能量转化效率至关重要,同时考虑到环境因素,如何取代其中的含卤试剂,通过选择试剂或改良加工工艺来优化活性层的形貌是最近的研究热点之一。

  从各年度国际专利申请和公开的数量来看,非富勒烯聚合物太阳能电池从2013年才逐渐发展起来,目前正处于技术萌芽期。

  从公开专利的区域分布看,中国和美国是非富勒烯聚合物太阳能电池技术的研究成效和潜力最被看好的地区。日本是非富勒烯聚合物太阳能电池技术的发展热点地区。

  在非富勒烯聚合物太阳能电池研究方向,高被引论文成果大都由我国科学家主持,相关机构包括北京大学、中科院化学所、福建师范大学、国家纳米科学技术中心、西安交通大学等,国际上的领先研究机构包括北卡罗来纳大学教堂山分校、瑞典林雪平大学(Linköping University)等。

  3. 光催化材料的太阳能转化应用

  Application of photo-catalysts in the solar conversion application

  光催化材料能够利用水分解将太阳能转化为氢能,得到氢气和氧气,氢气具有高热值和无污染的特点,可以用作多种化学工业的原料,因而该方法在解决能源问题方面有着重要的应用前景,然而相比于极大的研究投入,当前真正的光催化产品却寥寥无几,目前光催化领域多数的科研产出仍旧停留在论文这单一层面,载流子复合率过高是阻碍光催化效率进一步提升的最大问题,也是目前研究的最大热点。

  根据高被引文献分析,在与太阳能转化领域中的光催化材料相关的研究方向中,近期受到关注度较高的包括:

  传统光催化剂的改进与新型光催化剂的研发、光催化机理研究、新的光催化反应以及光催化反应器等,通过调整催化剂组成和表面改性等措施,双光子系统(Z-Scheme)和异质结两种催化剂体系都展现出了可喜的研究前景,如何替代现有催化剂体系中的贵金属也是研究的热点。

  从各年度国际专利申请和公开的数量来看,光催化材料在太阳能转化领域中的应用从本世纪初才逐渐发展起来,2006年后才逐渐成为热点,进入快速上升期,目前正处于技术成长期。

  从公开专利的区域分布看,中国和日本是光催化材料在太阳能转化领域中的应用研究成效和潜力最被看好的地区。

  美国、韩国、印度、澳大利亚、加拿大等是光催化材料在太阳能转化领域中的应用的发展热点地区。

  在该研究方向,近年来较为突出的高被引论文成果由国内外科学家共同参与,相关机构包括日本东京大学、日本人工光合作用化学过程技术研究协会(ARPChem)、上海第二工业大学、山东科技大学、美国田纳西大学、厦门大学、新加坡材料工程研究所、武汉大学、中科院物理所、北京科技大学、美国加州理工学院、日本国立材料研究所、美国劳伦斯伯克利国家实验室、日本东京工业大学、东华大学等。

  4. 高负荷高能锂硫电池

  High-loading and high-energy lithium-sulfur batteries

  锂硫电池是化学储能电池的一种,一般以单质硫作为电池正极,金属锂片作为负极,此类电池成本低,对环境友好,能量密度是其它类型锂离子电池的数倍,在电动汽车、无人机、军用便携式电源、储能系统等领域有着广阔的应用前景,但是目前其应用还存在循环寿命短、硫负载量低等瓶颈。

  根据高被引文献分析,近期受到关注度最高的是在多尺度层次设计原则基础上获得高硫负载量、高能量密度锂硫电池,主要包括正极的基础电化学反应,硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程,颗粒设计和电极结构,负极的金属锂和非金属负极,界面隔膜的修饰以及这些影响因素的综合配置。

  整体来看,发展锂硫电池,尤其是高负载量的锂硫电池,关键在于对其内部基本原理的理解。

  从各年度国际专利申请和公开的数量来看,锂硫电池从本世纪初才逐渐发展起来,2004年后才逐渐成为热点,进入快速上升期,自2016年专利增长速度放缓,逐渐进入技术成熟期。

  中国和美国是锂硫电池技术研究成效和潜力最被看好的地区。韩国和日本是锂硫电池技术发展的热点地区。

  在该研究方向,国内外多个高校、研究院所、电池类实验室/公司等都在开展锂硫电池的研发,国外以英国Oxis 和美国 Sion Power(已被 BASF公司收购)两家公司最为著名,高被引论文成果由国内外科学家共同参与,相关机构包括中国科学院、厦门大学、清华大学、加拿大滑铁卢大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国德克萨斯州立大学等。

  5. 钙钛矿类材料的光电领域应用

  Application of perovskite materials in optoelectronics

  人们最早发现的钙钛矿类化合物是存在于钙钛矿矿石中的钛酸钙化合物,随着研究不断深入,科学家发现可以通过以其他元素替代此类材料中的钙、钛、氧来改善这种材料的物理化学性质,从而获得一系列具有钙钛矿晶型的有机金属卤化物吸光材料。

  近年来,钙钛矿类材料由于具有一系列优异的光电性质,引起了广泛关注,具体应用包括太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器、燃料电池、存储器等。

  根据高被引文献分析,在钙钛矿类材料相关的诸多研究方向中,近期受到关注度最高的是其在各种光电应用中的进展:在钙钛矿太阳能电池领域,研究重点集中在材料体系、器件结构、薄膜制备方法以及光电机理等方面 , 其中彻底弄清钙钛矿型太阳能电池的光电转换机理对于指导下一步的研发至关重要,近年来的进展包括通过采用SnO2作为电子传输材料获得具有高结晶质量的电子传输层,以及通过采用新型梯度异质结结构来提高钙钛矿电池的光伏性能;在钙钛矿激光发射应用领域中,包括组成和结构对钙钛矿光电性能的影响(例如3D、低维多层、不同相态、纳米结构和化学组成等)、器件构建、材料和器件在运行过程中的稳定性、无铅材料的开发在内的一系列问题受到关注。

  从各年度国际专利申请和公开的数量来看,钙钛矿光电技术从上世纪末才逐渐发展起来,2010年后才逐渐成为热点,进入快速上升期,目前正处于技术成长期。

  从公开专利的区域分布看,中国和美国是钙钛矿光电技术研究成效和潜力最被看好的地区。日本、韩国、澳大利亚、加拿大等是钙钛矿光电技术发展热点地区。

  在钙钛矿太阳能电池研究方向,高被引论文成果大部分由我国科学家主持,相关机构包括中科院半导体所、上海交通大学等,国际上的领先研究机构包括日本国立材料研究所、瑞士洛桑联邦理工学院、英国牛津大学、韩国成均馆大学、韩国蔚山国家科学技术大学等;在钙钛矿光电应用研究领域中,国际上主要研究机构是韩国浦项工科大学、新加坡南洋理工大学、美国佛罗里达州州立大学,国内的南京工业大学表现较为突出。

  6. CRISPR/Cas9 基因组编辑

  CRISPR/Cas9 Genome Editing

  基因组编辑是指在基因组水平上对目的基因序列甚至是单个核苷酸进行替换、切除,增加或插入外源DNA序列的基因工程技术。

  CRISPR/Cas9 基因组编辑技术具有廉价、便捷、通用性强的特点,成为继锌指核酸酶(zinc-fingernucleases, ZFN)和转录激活因子样效应因子核酸酶(transcription activatorlike effector nucleases, TALEN)后的第三代基因组编辑技术,并引发了持续至今的研究热潮,在药物研发、疾病治疗、农业、工业等产业化领域均展现出巨大的应用潜力,分别于2013年和2015年两次入选美国《科学》评选的十大科学突破。

  根据高被引论文分析,受到关注度最高的是基因组编辑技术用于哺乳动物DNA甲基化方面的进展,其中CRISPR/Cas9 基因组编辑技术的应用主要体现在通过优化基因组编辑工具建立特定的小鼠DNA甲基化模型。

  CRISPR/Cas9 基因组编辑技术的出现为哺乳动物模型构建提供了简便、快速的途径,也为基因疾病的治疗提供新思路和新方法。

  在该研究方向,本报告涉及的高被引论文成果由国内外科学家共同撰写,相关机构包括麻省理工学院、加州理工大学、中国科学院、北京大学、清华大学等。

来源:科学网 黄辛
爱科学

上一篇:PNAS:耗时8年绘制一张完整的大脑血管系统图

下一篇:时间从未流逝?物理学家:“过去”与“未来”可能只是错觉

推荐信息

登录注册
欢迎内容投稿或举报!E-mail: ikx@ikx.cn
Copyright © 爱科学 iikx.com