生物无机与合成化学教育部重点实验室2016年度工作总结

结合研究方向，简要概述本年度实验室取得的重要研究成果与进展，包括论文和专著、标准和规范、发明专利、仪器研发方法创新、政策咨询、基础性工作等。总结实验室对国家战略需求、地方经济社会发展、行业产业科技创新的贡献，以及产生的社会影响和效益。

• 生物无机化学与应用

生物体内动态行为和演化过程的实时观察一直受到人们的广泛关注。线粒体是细胞中重要的细胞器。研究表明线粒体结构的动态重构包括线粒体融合与线粒体分裂，这两种状态的动态平衡，对维持线粒体正常的形态、分布和功能具有重要意义。线粒体动态重构功能紊乱会导致严重的疾病，例如帕金森氏病，阿尔茨海默氏病，线粒体代谢性疾病和癌症。目前虽然已经有多种线粒体商用染料，但它们的Stokes位移小，容易光致漂白，不适用于长时间实时示踪线粒体结构的动态变化。因此，设计合成能实时追踪线粒体动态变化的荧光探针具有非常重要的意义。近年来，双光子荧光成像已成为一种非侵入性研究细胞水平生理活动的重要工具，它利用低能量的近红外光源激发，具有耐光漂白，组织穿透能力强和分辨率高等优点。

在前期线粒体成像研究（Chem. Commun., 2013, 49, 11095; Biomaterials, 2014, 35, 9003；Chem. Eur. J., 2015, 21, 12000; J. Mater. Chem. B, 2015, 3, 6690; Sci. Rep., 2016, 6, 20887)的基础上，巢晖教授团队与西安交通大学生命科学与技术学院龙建纲教授团队合作，进一步设计合成了一系列新型三联吡啶环金属化铱（III）配合物，通过改变其辅助配体结构，得到了具有不同双光子荧光颜色的配合物Ir1-Ir5。这些配合物激发光谱和发射光谱间的Stokes位移较大，光稳定性好，线粒体靶向性强，不依赖于线粒体膜电位，免洗涤分离，适用于长时间的荧光观察。其中，Ir2尤其突出，非常适用于实时示踪活细胞中线粒体的动态重构过程。

该研究成果最近发表在《Biomaterials》 (IF =8.557)上。(Huaiyi Huang, Liang Yang, Pingyu Zhang, Kangqiang Qiu, Juanjuan Huang, Yu Chen, Jiajie Diao, Jiankang Liu, Liangnian Ji, Jiangang Long and Hui Chao, Biomaterials, 2016, 83, 321–331)，题为“Real-time tracking mitochondrial dynamic remodeling with two-photon phosphorescent iridium (III) complexes”。

二、稀土光电材料合成与应用

随着现代化电子设备正趋向小型化、可穿戴化的方向快速发展，新型柔性、可穿戴供能装置的开发也逐渐引起人们广泛的关注。其中柔性纤维状能源装置可以直接通过传统的纺织技术将其与可穿戴化电子装置进行有效结合并予以供能，因此其设计与开发成为了研究的热点。作为两类各具特色的能源装置，一方面微生物燃料电池可以借助微生物降解污水中的有机物，实现从废弃化学能源到电能的转化，另一方面超级电容器可以将微弱的电能进行储存，并以大功率放电的形式驱动电子装置，满足大部分供能需求。所以开发具有柔性纤维状结构的微生物燃料电池和超级电容器具有重要的现实意义。与此同时，设计具有双功能的电极材料将有望实现新型产能-储能一体化自驱动型供能系统的开发，并极大地推动新型可再生能源的有效开发。然而这一关键技术的开发与应用仍极大受限于电极材料的发展。

卢锡洪副教授团队与香港科技大学杨世和教授团队合作共同开发了一种氮与低价钼共掺杂的MoO₃纳米线基纤维状双功能阳极。他们首先通过在碳纤维表面水热生长一层均匀的MoO₃纳米线。接着提出了一种可控双掺杂的策略，通过控温氨气热处理的方法，实现MoO₃导电性、有效活性位点数、以及电化学稳定性的有效调控，从而达到其电化学性能的最优化。优化得到的双掺杂MoO₃纳米线纤维电极在作为微生物燃料电池与超级电容器的双功能阳极应用方面表现出优异的性能。基于此阳极组装的纤维状柔性超级电容器有效储能密度达到2.29 mWh cm^-3，组装的纤维状柔性微生物燃料电池最大输出功率达到0.76 μW cm^-1。这样一种双功能的阳极材料将极有希望应用于自驱动型能源系统的开发中。相关成果最近发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，并被该杂志评为Very Important Paper.，于明浩博士研究生为该第一作者 (Minghao Yu, Xinyu Cheng, Yinxiang Zeng, Zilong Wang, Yexiang Tong, Xihong Lu,* and Shihe Yang*. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 128, 6874 –6878) 题为“Dual-Doped Molybdenum Trioxide Nanowires: A Bifunctional Anode for Fiber-Shaped Asymmetric Supercapacitors and Microbial Fuel Cells”。

三、无机－有机杂化材料合成化学与晶体工程

1) 要捕获超低浓度的CO₂，自由胺基还是最佳选择。受制于胺基的强配位效应，在MOF框架中，胺基通常是以二胺的形式通过合成后修饰的方法嫁接在配位不饱和的金属离子上的。最近，张杰鹏教授团队将肼(N₂H₄)用作最短的二胺分子，嫁接在其它二胺分子无法使用的超微孔MOF-74/CPO-27上，获得了浓度高达7.08 mmol cm^-3的自由氨基，以及一系列CO₂吸附记录：吸附量4.58 mmol cm^-3 @298 K & 0.4 mbar，1.22 mmol cm⁻³ @ 328 K & 0.4 mbar，烟道气环境(0.1-0.15 bar & 313 K)吸附脱附工作量达18.5 wt%，而且在高湿度（82%）下性能不变。原位红外光谱证明，NH₂和CO₂发生化学吸附形成氨基甲酸。在此之前， 298K&0.4 mbar的CO₂吸附纪录是由加长版MOF-74/CPO-27嫁接乙二胺保持的2.72 mmol cm⁻³。 N₂H₄@MOF-74不但具有更小的体积和分子量，还削弱了胺基之间的氢键。

2）电化学氧气析出反应（OER）是许多可再生能源系统如金属−空气电池和水分解的核心过程。要提高目前OER效率，需要催化剂和强酸碱性环境。目前绝大部分OER催化剂都是在碱中稳定的金属氧化物。

张杰鹏教授团队基于过渡金属M(II)，氯离子Cl-，和苯并双三氮唑阴离子合成了一类结构类似MOF-74/CPO-27的三组分MOF，而且化学稳定性很高。例如，暴露在孔表面的M(II)可以被氧化成M(III)-OH ，用于氧化催化（Chem. Eur. J. 2014, 20, 11303; http://dx.doi.org/10.1002/chem.201403123）或CO₂吸附（Energy Environ. Sci.,2015,8, 1011，http://dx.doi.org/10.1039/C4EE02717E）。

最近张杰鹏教授团队和李高仁教授团队合作，发现含有Co(II)的这种MOF可以在pH=14的条件下作为OER催化剂。更有意思的是，他们发现MOF中的Cl-离子配体在碱性条件下可以被交换为OH-配体，提供了能垒较低的框架内耦合路径，极大提高OER催化活性，在pH=14水溶液中10 mA cm−2对应的过电位可以低至292 mV。

四、金属配合物结构与理论化学

人工模拟光合作用，利用太阳能在催化剂作用下分解水制取氢气，是实现将太阳能转化为清洁的化学能，解决人类社会面临的能源危机和环境污染问题的理想途径。相比于广泛研究的多相半导体光催化分解水制氢催化剂，由光敏中心、电子转移桥梁和产氢中心组成的均相分子基催化剂，因活性金属利用率高、催化剂结构和活性可调配性强，以及催化反应机理容易研究等特点，近年来备受科学家们的关注与青睐。

鉴于光催化产氢过程中所必需的多步电子转移和储存，人们致力于促进光吸收中心向金属催化中心高效、定向的电子转移，来实现光催化效率的提高。在单个分子器件内同时植入多个光敏中心或多个催化单元是提高电子转移和储存的有效策略。然而，仅仅通过简单增加金属核中心的数目，有可能导致电子在分子内的非定向转移和相互耦合耗损；而多核金属催化剂合成过程中不可避免地生成多种几何和光学异构体，其繁琐的后续分离过程也在某种程度上限制了共价多金属配合物催化剂的发展。这也是目前鲜有基于在单个分子基光催化剂中同时植入多个光敏中心和多个催化中心实现高效产氢的报道的原因。

中山大学苏成勇和石建英研究小组采用配位超分子自组装策略，结合配位空间的对称性设计和活性中心精准配置思想，利用课题组早前提出的金属-有机分子笼(Metal-organic cage, MOC)分步组装方法（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (12), 4456–4459）进一步发展了一种新型单分子产氢器件模型，第一次将集合了8个金属有机Ru2+光敏中心和6个金属Pd2+催化中心于一体的金属-有机分子笼作为单分子产氢器件。该器件模型通过多重光敏中心和催化中心有序、对称、空间分离地自组装，在单一分子笼表面构筑出多个相互独立的能量传递和电子转移通道，各个光敏中心和催化中心在空间上相互独立、功能上相互等价，从而实现了多通道电子转移和能量传递的单一性、方向性，极大地促进了产氢效率，获得了高达380 μmol h-1的初始产氢速率和635的TON (48 h)。该课题组通过稳态吸收和发射光谱、电化学以及DFT理论计算对光催化产氢机理加以研究，利用飞秒超快瞬态吸收光谱进一步研究了催化过程中高效电子转移和能量传递过程。该工作发展的将多个光敏中心，多个催化中心通过有序、对称配位自组装成一体的配位分子笼器件组装策略，为新一代高效均相分子基催化剂的发展提供了新的设计思路；而分子笼结构独特的主客体化学为进一步封装光敏客体或催化客体分子，进一步提高产氢活性提供了可能。

该研究成果近期发表于《自然通讯》 (Sha Chen†, Kang Li†, Fang Zhao, Lei Zhang, Mei Pan, Yan-Zhong Fan, Jing Guo, Jianying Shi* & Cheng-Yong Su*, A Metal-Organic Cage Incorporating Multiply Light Harvest and Catalytic Centers for Photochemical Hydrogen Production. Nat. Commun, 2016, 7, doi: 10.1038/ ncomms13169)。

概述实验室本年度科研任务总体情况。

本年度实验室承担"973计划"一项，国家杰出青年科学基金两项，国家基金重大项目一项，国家基金重大研究计划一项，国家基金重点项目四项，其他省部级项目多项。

序号

项目/课题名称

编号

负责人

起止时间

经费(万元)

类别

1

有机分子基框架多孔材料的前沿研究

2012CB821700

苏成勇

2012-2016

3500

“973”计划（973）

2

配位聚合物多孔材料

21225105

张杰鹏

2013-2016

280

国家杰出青年科学基金

3

限域空间与表面的分子极化效应与调控

21290173

陈小明

2013-2017

400

国家基金重大项目

4

磁电功能分子晶态材料的结构设计与可控制备

91422302

陈小明

2015-2017

1100

国家基金重大研究计划

5

可见-近红外多模式光调节与光转换金属-有机晶态材料的设计与性能研究

91222201

苏成勇

2013-2016

300

国家基金重点

6

环糊精功能化无机纳米材料的构建及其介导的肿瘤多靶点治疗研究

21231007

毛宗万

2012-2017

320

国家基金重点

7

新型水氧化催化剂的准备与性质研究

21331007

鲁统部

2014-2019

310

国家基金重点

8

同步辐射X射线激发发光谱技术及其在稀土闪烁材料研究中的应用

U1432249

梁宏斌

2015-2018

80

国家基金重点

9

基于n型光阳极与p型光阴极纳米材料的高效光电分解水系统的研制

21461162003

童叶翔

2015-2018

90

国际合作

10

新能源材料与清洁利用的若干化学问题

S2013030013474

苏成勇

2013-2018

130

省基金(团队)

11

新型农用稀土发光材料的探索和应用

S2013030012842

王静

2013-2018

30

省基金(团队)

12

具有显著磁热效应与单分子磁体性能的稀土配合物研究

S2013020013002

童明良

2013-2016

30

省基金(重点)

13

复合双壁纳米管阵列的设计、合成及其电化学储能应用

S2013020012833

李高仁

2013-2016

30

省基金(重点)

1

计亮年

研究人员

男

学士

教授

81

2005起

2

毛宗万

研究人员

男

博士

教授

53

2005起

3

巢晖

研究人员

男

博士

教授

45

2005起

4

刘高峰

研究人员

男

博士

副教授

40

2005起

5

谭彩萍

研究人员

女

博士

副教授

34

2005起

6

陈小明

研究人员

男

博士

教授

54

2005起

7

童明良

研究人员

男

博士

教授

48

2005起

8

叶保辉

研究人员

男

博士

教授

51

2005起

9

张杰鹏

研究人员

男

博士

教授

38

2005起

10

倪兆平

研究人员

男

博士

副教授

36

2005起

11

张伟雄

研究人员

男

博士

副教授

34

2005起

12

姜隆

研究人员

男

博士

副教授

40

2005起

13

贾建华

研究人员

男

博士

讲师

32

2005起

14

苏锵

研究人员

男

学士

教授

84

2005起

15

吴明娒

研究人员

男

博士

教授

52

2005起

16

童叶翔

研究人员

男

博士

教授

52

2005起

17

梁宏斌

研究人员

男

博士

教授

50

2005起

18

王静

研究人员

男

博士

教授

39

2005起

19

李高仁

研究人员

男

博士

教授

38

2005起

20

钟玖平

研究人员

男

博士

讲师

40

2005起

21

卢锡洪

研究人员

男

博士

副教授

30

2013起

22

方萍萍

研究人员

女

博士

副教授

33

2013起

23

苏成勇

研究人员

男

博士

教授

47

2005起

24

鲁统部

研究人员

男

博士

教授

51

2005起

25

赵存元

研究人员

男

博士

教授

53

2005起

26

匡代彬

研究人员

男

博士

教授

40

2005起

27

赵晓丹

研究人员

男

博士

教授

35

2013起

28

王娇炳

研究人员

男

博士

教授

36

2013起

29

潘梅

研究人员

女

博士

教授

39

2005起

30

柯卓锋

研究人员

男

博士

副教授

35

2013起

1

曹新医

博士后

男

39

中国

2015.3-2017.2

2

何纯挺

博士后

男

28

中国

2016.11-2018.10

3

张飞

博士后

男

31

中国

2016.5-2018.4

4

Partha Pratim Bag

博士后

男

34

印度

2016.5-2018.4

5

叶瑞绒

博士后

女

28

中国

2015.7-2017.6

6

Md. Najbul Hoque

博士后

男

28

印度

2015.12-2017.11

简述实验室所依托学科的年度发展情况，包括科学研究对学科建设的支撑作用，以及推动学科交叉与新兴学科建设的情况。

USNEWS全球大学学术排名中山大学化学学科排名第60，上海交大世界一流大学排名中山大学化学学科第64。ESI全球排名，中山大学化学学科排名第93，篇均引用率16.84。

简要介绍实验室人员承担依托单位教学任务情况，主要包括开设主讲课程、编写教材、教改项目、教学成果等，以及将本领域前沿研究情况、实验室科研成果转化为教学资源的情况。

本年度实验室成员继续承担本科实验教学任务，积极参与面向本科生开设化学前沿进展课程，为本科生介绍相关领域前沿研究情况、实验室科研成果等。同时还开设研究生课程，指导研究生更好的了解本领域前沿研究情况

简述实验室人才培养的代表性举措和效果，包括跨学科、跨院系的人才交流和培养，与国内、国际科研机构或企业联合培养创新人才等。

陈小明教授和张杰鹏入选2016年全球ESI高被引用科学家名录。

简述研究生在实验室平台的锻炼中，取得的代表性科研成果，包括高水平论文发表、国际学术会议大会发言、挑战杯获奖、国际竞赛获奖等。

实验室研究生在实验室平台的锻炼中取得多项研究成果：

Wu Kai, Li Kang, Hou Yajun, Pan Mei, Zhang Luying, Chen Ling, Su Chengyong. Homochiral D-4-symmetric metal-organic cages from stereogenic Ru(II) metalloligands for effective enantioseparation of atropisomeric molecules. Nat. Commun., 2016, 7, 10487.

Chen Sha, Li Kang, Zhao Fang, Zhang Lei, Pan Mei, Fan Yanzhong, Guo Jing, Shi Jianying, Su Chengyong. A metal-organic cage incorporating multiple light harvesting and catalytic centers for photochemical hydrogen production., Nat. Commun., 2016, 7, 13169.

Liao Peiqin, Zhang Weixiong, Zhang Jiepeng, Chen Xiaoming, Efficient purification of ethene by an ethane-trapping metal-organic framework, Nat. Commun., 2016, 6, 8697.

序号

参加会议形式

学生姓名

硕士/博士

参加会议名称及会议主办方

导师

1

发表会议论文

何纯挺

博士

第四十二届配位化学国际会议

陈小明

2

发表会议论文

周东东

博士

第四十二届配位化学国际会议

张杰鹏

3

发表会议论文

沈建强

博士

第14届亚洲晶体学联合大会

陈小明

4

发表会议论文

许伟剑

博士

第14届亚洲晶体学联合大会

陈小明

简述实验室在本年度内设置开放课题概况。

本年度重点实验室设置了开放课题，申报的项目经学术委员会审议，共有7项获批，每项开放课题经费额度为1万元。

序号

课题名称

经费额度

承担人

职称

承担人单位

课题起止时间

1

高效光电化学池器件的Fe₂O₃光电极材料的制备及光电化学性能研究

1万

黄勇潮

副研究员

中山大学

2016.1-2016.12

2

双核金属钌配合物抑制肿瘤细胞迁移、侵袭及其机制研究

1万

王金全

讲师

广东药科大学

2016.1-2016.12

3

单组份Eu-Tb混金属聚合物大分子白光薄膜材料的开发及应用

1万

吕兴强

教授

西北大学

2016.1-2016.12

4

二氧化锰纳米材料的体相缺陷调控及其混合型超级电容器性能研究

1万

翟腾

讲师

南京理工大学

2016.1-2016.12

5

开发携带氮氧自由基的多功能生物探针

1万

覃智峰

副教授

南加州大学（美）

2016.1-2016.12

6

基于均苯三甲醛的氮杂笼状化合物合成及其分子识别研究

1万

黎彧

研究员

广东轻工职业技术学院

2016.1-2016.12

7

光功能配位超分子聚集体的合成及应用

1万

黄晓春

教授

汕头大学

2016.1-2016.12

序号

会议名称

主办单位名称

会议主席

召开时间

参加人数

类别

1

中国化学会第七届全国结构化学学术会议

中国化学会、国家自然科学基金委员会

陈小明

2016.11.16-19

约600人

全国性

2

中国晶体学会第六届学术年会暨代表大会

中国晶体学会

苏成勇

2016.12.19-22

约600人

全国性

请列出实验室在本年度内参加国内外学术交流与合作的概况，包括与国外研究机构共建实验室、承担重大国际合作项目或机构建设、参与国际重大科研计划、在国际重要学术会议做特邀报告的情况。请按国内合作与国际合作分类填写。

在学术交流方面，2016年度，国内外学者到实验室进行讲学和交流63人次，实验室成员出境访问35次,承担国际合作项目1项。进一步加强了和国际国内交流。

简述实验室本年度在科学传播方面的举措和效果。

本年度实验室积极参与化学节、开放实验室等交流活动，推进学术传播，取得了较好的效果。

序号

姓名

性别

职称

年龄

所在单位

是否外籍

1

主任：

洪茂椿

男

研究员

62

福建物构所

否

2

副主任：冯守华

男

教授

59

吉林大学

否

3

卜显和

男

教授

51

南开大学

否

4

陈接胜

男

教授

51

复旦大学

否

5

陈小明

男

教授

54

中山大学

否

6

郭子建

男

教授

54

南京大学

否

7

高松

男

教授

54

北京大学

否

8

姜建壮

男

教授

52

北京科技大学

否

9

李亚栋

男

教授

51

清华大学

否

10

林建华

男

教授

60

北京大学

否

11

苏成勇

男

教授

47

中山大学

否

12

张洪杰

男

教授

62

长春应化所

否

13

赵东元

男

教授

53

武汉大学

否

14

郑兰荪

男

教授

61

厦门大学

否

15

毛宗万

男

教授

53

中山大学