新科院士施劍林課題組優秀工作集錦!

本期人物介紹

施劍林，中國科學院院士，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員，博士生導師。中科院首批「百人計劃」入選者（1994），國家傑出青年基金獲得者（1996），教育部長江學者特聘教授（2008）。擔任國家重大基礎研究計劃和國家重點納米專項首席科學家，同時還承擔並負責多項國家自然科學重點基金、「863」材料高技術和科學院創新方向性等多項國家與地方科研項目。現主要從事無機納米材料，介孔材料與介孔主客體複合材料的合成、非均相催化性能與環境應用；介孔納米顆粒的可控合成及其生物相容性、多功能化、藥物輸運和納米診療劑等方面的研究（1998至今）。最近提出了「納米催化醫學」的全新研究前沿方向，使用無毒納米顆粒而不使用傳統的有毒化療藥物，通過引發瘤內原位的催化反應達到抗腫瘤目的。

【主要研究方向及代表作】以下工作參考納米人，歡迎關注！

施劍林院士課題組主要開展介孔和其他無機納米結構與材料的設計、可控合成及其在能源/環境催化和生物醫學領域應用的基礎研究。課題組近年來的研究方向可以分為以下幾類：

一、介孔與其他無機納米材料的設計、可控合成及物化性能

聚焦介孔與其他無機納米材料研究中的關鍵科學技術問題（如可調控的微孔-介孔-大孔結構、納米材料高效綠色合成、主-客體複合材料的組裝合成...），通過材料組成、微結構與合成方法的設計創新，結合材料計算科學、原位光譜、同步輻射等先進表徵，開展新型介孔（基）與其他無機納米材料的製備科學及物化性能研究。

1、Angew. Chem. Int. Ed.: 非層狀鎂低溫剝離成二維晶體

自2004年石墨烯出現以來，二維（2D）材料的研究呈井噴式增長。範德華本體前體的物理剝離是製備其2D晶體的經典技術，其採用弱層間相互作用和共價面內鍵合之間的顯著差異。結構維度的轉變將改變其原始電子結構，並導致光學，磁學，電學，催化等方面的一些獨特屬性的出現，為基礎科學的研究帶來了顯著的價值。層狀前體的物理剝離是製備二維（2D）晶體的最主要的方法，而對非層狀體本質上不適用。

中科院上海矽酸鹽研究所施劍林等人確定了金屬鎂在低溫（CT）下的平面解理分化，並且開發了非層狀鎂到2D晶體的低溫剝離策略。研究發現，Mg晶格響應外部機械應力的解理各向異性源於CT誘導的基底滑動特異性的失活，其導致垂直於c軸的基底解理。剝離的新型2D Mg晶體表現出明顯的局部表面等離子體共振，對於捕獲和轉換太陽能的應用具有很大的潛力。作者表示通過特定滑移系統的CT誘導特異性失活顯著擴大了晶格各向異性，從而實現了解理沿著失活的滑動平面響應機械應力。除了已證實的2D Mg的優異等離子體行為之外，還應該努力解開其未知特性。更重要的是，通過溫度調製選擇性地控制特定位錯和滑移系統的失活和/或激活可以為實現非層狀晶體的各向異性正則化提供有用且通用的策略，這有望開闢二維晶體體系新的維度。

ChenZhang, Yingfeng Xu, Ping Lu, Chenyang Wei, Chenxi Zhu, Heliang Yao, Fangfang Xu, and Jianlin Shi*. Cryogenic Exfoliation of Non‐layered Magnesium into Two‐Dimensional Crystals.Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 8814-8818.

2、Journal of Catalysis: ZIF衍生的Fe-N-C電催化劑的反應動力學研究

FeNC氧還原反應（ORR）催化劑基於在多孔碳基質中具有高度分散的活性位的金屬有機骨架（MOF），目前被認為是酸性電解質中最有前途的無貴金屬ORR催化劑。然而，FeNC催化劑在氧還原的幾個連續步驟中的詳細和特定的ORR動力學仍然不清楚。在這項研究中，製備了一系列由沸石咪唑鹽骨架（ZIF）和鐵配位的催化劑（Fe-ZIF-8），並詳細研究了半波電勢、環電流、H2O2收率和表面上的覆蓋率。與基準Pt / C催化劑相比，催化劑表面，過氧化氫還原反應（HPRR）活性和擴散受限電流平穩期。特別地，通過在ORR測試過程中有意將各種濃度的H2O2作為探針分子引入酸性電解質，作者驗證了一個有趣的現象，即Fe-ZIF-8的相對較低的ORR催化活性與中間體H2O2的過量生產無關。與Pt相比，實際上，Fe-ZIF-8在ORR中產生的H2O2量明顯低於Pt。

基於上述研究和發現，這項工作試圖通過使用Fe-ZIF-8作為ORR電催化劑來闡明ORR中可能存在的潛在動力學。結論是，在第一個2e步驟中涉及氧的動力學（例如氧分子吸附，活化和還原成H2O2），而不是在第一個2e步驟中涉及質子相關的反應（例如超氧陰離子質子化），也沒有涉及與Pt / C相比，第二個2e步驟在動力學上對Fe-ZIF-8較慢。

YilingSong, Xiaohua Zhang, Xiangzhi Cui,* JianlinShi.* The ORR kinetics of ZIF-derived FeNC electrocatalysts.Journal of Catalysis, 2019, 372, 174-181.

3、Adv. Mater: 矽烯的溼化學剝離合成及其納米醫學應用

矽基生物材料在生物醫學工程中具有不可替代的作用。然而由於矽缺乏多樣化的功能，矽基納米材料往往僅限於作為藥物遞送系統的載體。同時，矽基生物材料作為一種典型的無機材料，其較差的生物降解特性也阻礙了其在體內的生物醫學應用和臨床轉化。

中科院上海矽酸鹽研究所陳雨研究員和施劍林研究員合作，通過溼化學剝離法合成了2 D的矽烯納米片，將傳統的0 D納米顆粒轉換為2 D材料系統。2 D矽烯納米片具有良好的理化性質，可以實現光觸發的治療和診斷成像，並具有很好的生物相容性和生物可降解性。研究結合基於DFT的分子動力學(MD)計算，對矽烯與生物環境相互作用的機理及其在特定模擬生理條件下的降解行為進行了討論。這一研究製備了一種新型矽基生物材料，並證明其具有生物可降解性、高的生物相容性、多功能性等優點，具有廣闊的臨床應用前景。

Han Lin, Wujie Qiu, Jianjun Liu, Luodan Yu, Shanshan Gao, Heliang Yao, Yu Chen,* Jianlin Shi.* Silicene: Wet‐Chemical Exfoliation Synthesis and Biodegradable Tumor Nanomedicine.Adv. Mater., 2019, 31, 1903013.

4、Nano Lett.: 用於光熱轉換的二維超薄MXene陶瓷納米片

陶瓷生物材料已經被研究了幾十年，但是在癌症治療中潛在的生物醫學應用卻很少受到關注，這主要是由於它們缺乏抗癌的相關材料功能。在這項工作中，我們首次報導了MAX陶瓷生物材料在被剝離成原子厚度（MXene）內的超薄納米片後，展現出用於癌症光熱消融的獨特功能。作為範例，通過結合HF蝕刻和TPAOH嵌入，在MAX相Ti3AlC2的兩步剝離策略的基礎上成功合成了生物相容的Ti3C2納米片（MXenes）。尤其是，不僅在靜脈內可以注射大豆磷脂修飾的Ti3C2納米片，而且還可以在腫瘤內局部植入Ti3C2納米片（MXenes），都揭示並證明了Ti3C2納米片（MXenes）的高光熱轉換效率和體內/體外光熱消融。這項工作有望使Ti3C2納米片（MXenes）作為一種用於癌症治療的新型陶瓷光熱劑具有巨大的潛力，並可能引起人們對基於MXene的陶瓷生物材料的研究興趣，從而使生物醫學應用受益。

Han Lin, Xingang Wang, Luodan Yu, Yu Chen,* Jianlin Shi.* Two-Dimensional Ultrathin MXene Ceramic Nanosheets for Photothermal Conversion.Nano Lett.2017, 17, 384-391.

二、面向能源/環境應用的無機光/電催化材料

面向清潔能源與環境保護，開展太陽能燃料催化合成（光/電解水制氫、光/電催化還原CO2制含碳燃料等）、聚合物膜燃料電池及其電催化、空氣汙染物催化淨化等研究。設計合成新型多孔與低維納米材料，研究材料組成-結構-性能間的構效關係，闡明催化過程中的基本反應機制與複合催化劑的協同催化效應，並開展相關的應用研究。

1、Nat. Commun.：Ni-Mo-N/CFC納米片電催化劑用於同時生產氫氣和甲酸

由於日益嚴重的環境汙染和能源危機，開發清潔和可再生能源/資源（例如太陽能，風能和氫能）引起了廣泛關注。氫氣是有吸引力清潔能源。通過電催化分解水制氫是一種有效且經濟的技術，但是由於其動力學緩慢和低附加值的陽極析氧反應而受到嚴重阻礙。過渡金屬基氮化物通常具有較低的電阻和較高的機械穩定性，被認為是有前途的電催化劑，並且在各種反應（例如OER，HER和ORR）中顯示出高的活性。

中科院上海矽酸鹽研究所施劍林、華東師範大學陳立松等人報導了一種負載在碳纖維布（Ni-Mo-N/CFC）上的鎳-氮化鉬納米片催化劑(Ni-Mo-N/CFC)，該催化劑在低成本的鹼性甘油溶液中可同時電解生產高純度氫（陰極上）和高附加值的甲酸（陽極上）。當在陽極和陰極都裝載Ni-Mo-N/CFC催化劑時，所建立的電解槽只需低至1.36 V的電池電壓就能達到10 mA cm-2的電流密度，比鹼性水溶液低260 mV。此外，該催化劑生成H2和甲酸的法拉第效率分別高達99.7％和95.0％。該工作利用非貴金屬電催化劑同時在陰極和陽極生產高價值產品的策略，對可再生能源技術的發展具有重要意義。

2、Adv. Funct. Mater.: 一步合成不受pH限制的W2C@N,P-C納米催化劑用於實現高效氫電氧化

用於氫氧化反應（HOR）的高活性和低成本非貴金屬電催化劑對於燃料電池的大規模應用至關重要，遺憾的是迄今為止，燃料電池的應用很少。中科院上海矽酸鹽所施劍林，華東師範大學Lisong Chen等人報導了一種簡單的一步法即可製造W2C納米顆粒（約3 nm），該納米顆粒被N、P摻雜的幾層碳材料（W2C@N，PC，WNPC）包裹起來，該方法只需煅燒再結晶磷鎢酸和雙氰胺的混合物，即可製成一種高效的非貴金屬HOR電催化劑。

所獲得的WNPC催化劑顯示出極高的HOR活性（可逆氫電極在0.05 V下的1.03/0.91/0.84 mA cm^-2在0.05 V下分別對比在0.1 M HClO4 / 0.1 M KOH / 0.1 M中性磷酸鹽緩衝鹽溶液）在10 000次循環的加速降解測試中具有出色的CO耐受性。這些高性能歸因於WNPC的均勻結構，更重要的是歸因於N、P和C物種之間的協同效應，提高了WNPC的還原性，有利於產生大量的HOR活性位點。

Bingyan Xiong, Wenbin Zhao, Lisong Chen,* Jianlin Shi.* One‐Step Synthesis of W2C@N,P‐C Nanocatalysts for Efficient Hydrogen Electrooxidation across the Whole pH Range.Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1902505.

3、ACS Catalysis: 引入Cu穩定CeO2-x中氧空位，並提高CO2的光催化還原活性

在半導體光催化劑的晶格中引入O空位可以改變其固有的電子性能和帶隙，從而提高可見光吸收率，促進光生電荷載流子的分離/轉移，從而提高氧化物半導體的光催化活性。此外，O空位有助於光催化劑表面吸附和活化CO2，但在光還原反應中，O空位容易被O原子填充。在此，中科院上海矽酸鹽所施劍林等人通過引入了Cu以增加CeO2-x中O的空位濃度並促進CeO2-x的光催化活性。Cu/CeO2-x-0.1樣品在5 h照射下顯示出最高的光催化活性，CO產率為8.25μmol/g，是CeO2-x的約26倍。根據拉曼光譜和X射線光電子能譜（XPS）的分析，已證明銅的引入有利於在光催化CO2還原過程中CeO2–x中O空位的化學穩定，這有助於改善和保持持續的光催化活性。

Min Wang, Meng Shen, Xixiong Jin, Jianjian Tian, Mengli Li, Yajun Zhou, Lingxia Zhang,* Yongsheng Li, Jianlin Shi.* Oxygen Vacancy Generation and Stabilization in CeO2–xby Cu Introduction with Improved CO2Photocatalytic Reduction Activity.ACS Catalysis, 2019, 9, 4573-4581.

4、Sci. China Mater. : 二維MXene相Ti3C2高效氧還原電催化劑的製備和性能研究

MXenes是一種新型的具有高導電性和豐富表面化學性質的多功能二維固體晶體，具有廣闊的電解應用前景。在此，中科院上海矽酸鹽所施劍林等人成功地以體積龐大且剛性良好的MAX相陶瓷為原料，採用高頻腐蝕(分層)和TPAOH插入(崩解)的方法，製備了超薄的自立型二維MXene納米片。由於所製備的Ti3C2的厚度在0.5-2.0 nm之間非常小，相當於單層或雙層Ti3C2納米薄片的厚度，因此獲得了高氧還原反應(ORR)性能。所得催化劑的ORR性能在鹼性介質中表現出良好的活性和穩定性。本研究證明了地球上豐富的2D MXenes在構建高性能、低成本的電催化劑方面的潛力。

Han Lin, Lisong Chen,* Xiangyu Lu, Heliang Yao, Yu Chen* and Jianlin Shi.* Two-dimensional titanium carbide MXenes as efficient non-noble metal electrocatalysts for oxygen reduction reaction.Sci. China Mater., 2019, 62, 662-670.

5、ACS Catalysis: 用於水分解的含陰離子的無貴金屬雙功能電催化劑

隨著嚴重的環境汙染和能源需求的不斷增加，開發可持續能源作為傳統化石燃料的替代品變得越來越重要。作為最終的清潔能源之一，自18世紀末以來，利用太陽輻射、風能、潮汐和核聚變等電力進行的水分解產生的氫（H2）能源吸引了越來越多的公眾關注。儘管貴金屬電催化劑表現良好，但是從實際應用的角度來看，它們遭受高成本和稀有性的困擾。近來，已經開發了各種基於低成本和富含地球的過渡金屬的非貴金屬電催化劑用於氫氣析出反應（HER）和析氧反應（OER）。其中在HER和OER中均表現出優異性能的非貴金屬雙功能電催化劑（NHOBEs）在未來的應用中具有重要意義。使用NHOBE，人們將能夠大大簡化電解器的製造程序，更重要的是，可以提高「多合一」電催化水分解系統的效率，這將大大降低其生產成本，從而大大有利於其工業應用。儘管來自同一主族陰離子元素（如氧，氮，碳和硼族）的NHOBE的定律到目前為止尚未得到很好的報導。

在此，中科院上海矽酸鹽所施劍林等人總結了按不同主族陰離子元素分類的NHOBEs的近期重大進展，並將重點放在設計、合成、在水分解中的電催化性能以及NHOBE的未來可能應用。此外，還評估了許多經過深入研究的NHOBE催化劑的前景以及未來發展的可能趨勢以及討論了在水分解用電催化劑方面研究面臨的當前挑戰。

Bingyan Xiong, Lisong Chen,* Jianlin Shi.* Anion-Containing Noble-Metal-Free Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting.ACS Catalysis, 2018, 8, 3688-3707.

三、基於無機納米結構的藥物輸運與診療一體化

圍繞重大疾病的診療需要（腫瘤診療、分子影像等），聚焦無機納米生物醫用材料，開展相關材料的設計合成、生物安全性、生物學效應、藥物輸運、分子影像和影像診斷/治療一體化等研究，並針對臨床應用的需求，推動其醫學轉化應用。探索基於無機納米生物材料的重大疾病新型治療方法。

1、Chem. Rev.: 基於活性氧（ROS）的納米醫學

活性氧（ROS）在調節生物體各種生理功能中起著重要作用。ROS固有的生化特性是生物體生長、適應或衰老所必需的機制的基礎，正驅使研究人員充分利用這些活性化學物質為醫學進步做出貢獻。由於納米技術的顯著進步，人們探索出了多種具有獨特活性氧調節特性的納米材料來指導活性氧在生物環境中的時空動態行為，從而形成了新一代的治療方法，即納米材料引導體內活性氧的進化治療。ROS與相應的化學、生物學和納米治療之間的相互依賴關係使我們提出了ROS科學的概念，它被認為是研究ROS的化學機制、生物學效應和納米治療應用的新興科學學科。

施劍林研究員與陳雨研究員綜述了近年來基於ROS的納米治療的最新進展，重點介紹了產生或清除ROS以改善治療效果的納米材料的基礎材料化學。此外，還討論了基於ROS的跨學科領域進化中的關鍵科學問題，旨在揭示ROS的內在力量，以優化治療效果。作者希望在這一領域的研究成果有助於推進基於ROS的基礎研究和臨床應用的進一步發展。

Bowen Yang, Yu Chen,* Jianlin Shi.* Reactive Oxygen Species (ROS)-Based Nanomedicine.Chem. Rev., 2019, 119, 4881-4985.

2、Nat. Nanotechnol.: 矽化鎂納米顆粒用於癌症飢餓治療

所謂「腫瘤飢餓療法」，就是切斷腫瘤血管、餓死癌細胞。但這一理論一直受困於其對無機材料的苛刻要求。由於「腫瘤飢餓療法」對無機材料的苛刻要求，需要滿足腫瘤組織的特異性、耗氧能力強、阻塞血管持久性，可注射性、良好的生物相容性等要求，目前的無機材料用於腫瘤飢餓療法還無法實現。中科院上海矽酸鹽所施劍林研究員及其團隊同事的研究，是從採用自蔓延燃燒方法合成新型Mg2Si納米顆粒出發，從而揭示了腫瘤微環境可以特異性激活Mg2Si納米顆粒的耗氧功能和分解產物堵塞腫瘤血管的新現象。他們採用改進的自蔓延燃燒法，成功製備了單分散、直徑約100nm的矽化鎂 (Mg2Si) 納米耗氧劑，經聚乙烯吡咯烷酮（PVP）表面改性後形成穩定的溶膠，賦予其良好的可注射性。

實驗結果顯示，該新型耗氧劑在腫瘤組織弱酸性微環境下被特異性激活，利用中間產物矽烷（SiH4）快速高效、持久消耗腫瘤組織及血管中的溶解氧和血紅蛋白結合氧，導致腫瘤病灶區極度缺氧；更重要的是，耗氧劑的分解產物SiO2在腫瘤組織血管中原位自聚集形成微米級絮狀物，高效率阻塞腫瘤血管，切斷腫瘤周圍的氧分子和營養成分通過腫瘤血管系統的供給，同時也切斷了腫瘤侵襲、轉移的血管途徑，致使癌細胞發生明顯的纖維化、凋亡和壞死，達到「餓死腫瘤」的治療效果。

Chen Zhang, Dalong Ni, Yanyan Liu, Heliang Yao, Wenbo Bu* & Jianlin Shi.* Magnesium silicide nanoparticles as a deoxygenation agent for cancer starvation therapy.Nature Nanotechnology. 2017, 12, 378–386.

四、納米催化醫學

基於研究團隊前期提出的「納米催化醫學」創新理念，聚焦用於重大疾病診療的新型納米催化劑的可控制備與生物醫學應用，闡明其在內外環境激發下的催化化學反應用於疾病診療的相關分子機制，並優化其診療性能。在重點研究納米生物催化劑生物安全性的基礎上，努力推動其臨床轉化應用。

1、Adv. Mater.: 納米催化醫學

催化和生物醫學通常被認為是兩個獨立的研究領域。近年來，隨著納米化學的發展，大量的納米催化劑，如納米酶、光催化試劑和電催化試劑等也都在體內被用於啟動催化反應和調節生物微環境以實現治療的效果。納米催化劑在生物醫學領域的應用也得到了迅速的發展，並有望推動納米醫學這一分支學科的前進。在過去的一個世紀裡，許多化學家都在努力地將具有高效和高選擇性的催化劑巧妙地轉化為納米診療藥物，通過催化反應來優化治療的結果。中科院上海矽酸鹽研究所陳雨研究員和施劍林研究員合作，根據催化反應的基本反應因素，對構建納米藥物的基本原理進行了綜述說明；然後全面介紹了這一新興領域的最新研究進展，並詳細討論了具有診療功能的納米催化系統的內在機理。

Bowen Yang, Yu Chen,* Jianlin Shi.* Nanocatalytic Medicine.Adv. Mater., 2019, 31, 1901778.

2、Nat. Commun.: 腫瘤特異性催化納米藥物遞送

與大多數正常組織細胞相比，腫瘤細胞以不同的途徑代謝。所得的腫瘤微環境將為選擇性的腫瘤模式提供特徵性的理化條件。中科院上海矽酸鹽所施劍林研究員與陳雨研究員通過設計並向腫瘤部位遞送生物相容性納米催化劑，介紹了用於高效腫瘤治療的順序催化納米藥物的概念。天然葡萄糖氧化酶（GOD，酶催化劑）和超小Fe3O4納米顆粒（無機納米酶，Fenton反應催化劑）已被整合到大孔徑且可生物降解的樹枝狀二氧化矽納米顆粒中，以製造順序納米催化劑。順序納米催化劑中的GOD可以有效地耗盡腫瘤細胞中的葡萄糖，同時為隨後的Fe3O4納米粒子對輕度酸性腫瘤微環境的催化作用而產生的Fenton樣反應產生大量H2O2。通過這些順序的催化反應會產生劇毒的羥基自由基，從而觸發腫瘤細胞的凋亡和死亡。當前的工作通過同時接近腫瘤治療的選擇性和效率來證明催化納米醫學概念的證明。

Minfeng Huo, Liying Wang, Yu Chen* & Jianlin Shi.* Tumor-selective catalytic nanomedicine by nanocatalyst delivery.Nat. Commun., 2017, 8, 357.