导读

近日,四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室/化工学院钮大文教授团队在science上发文;哈工大材料科学与工程学院蔡伟教授、隋解和教授、刘紫航教授团队在science上发文;厦门大学马来西亚分校能源与化工学院温国绅副教授团队在science上发文。

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川大钮大文教授团队Science发表医工结合最新研究成果!

11月24日,四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室/化工学院钮大文教授团队在science上发表了一篇题为“Palladium catalysis enables cross-coupling–like SN2-glycosylation of phenols”的文章。生物治疗国重博士生邓莉凡同学与核医学科王颖伟博士为文章共同第一作者,钮大文教授为通讯作者。

糖基化是药物开发中的常用工具。糖单元的引入往往可改变目标分子的水溶性、靶向性、代谢稳定性等性质。然而,将糖单元引入目标分子的化学方法却仍然面临诸多挑战。例如,大多数糖基化反应经历氧鎓中间体或其等价物,机理往往在SN1与SN2两种极端之间游走,受温度、底物反应性、添加剂等多种因素影响,造成反应的立体选择性不易预测。此外,若糖基化反应需使用敏感试剂或不稳定底物,也会带来诸多操作不便。

钯催化的交叉偶联具有很高的鲁棒性,已成为有机合成中不可或缺的工具。钮大文团队提出,若糖基化反应可以与钯催化交叉偶联反应一样模块化,则糖类化合物的合成将得到极大简化,其下游功能则可得到更多研究。然而,钯催化通常在sp2杂化的碳中心方面有效,而糖苷键大多是sp3杂化的C-O键。近日,该团队开发了一种新的激活糖基供体的模式。作者使用含有芳基碘化物的糖基硫化物作为供体,利用Pd(0)介导的氧化加成启动,关键的Pd(II)氧化加成中间体从芳基化试剂(C sp2亲电体)转变为糖基化试剂(C sp3亲电体)。这种方法继承了交叉偶联反应的许多优点,包括操作简单和官能团耐受性强。同时保留了SN2机制,这也是反应产生高立体选择性的根本原因。关键中间体的单晶结构表明硫原子与钯中心的配位使C-S极化,促使其对苯酚化合物的进攻具有足够的亲电性。

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. A)药物和天然产物中的糖基化苯酚。B)反应设计。

该项目全部由四川大学校内合作完成,文章作者来自四川大学生物治疗国重、华西医院核医学科以及化学工程学院。该工作在国家自然基金委优青项目和创新群体项目、四川大学华西医院1•3•5计划项目、科研院创新领军人才项目的经费支持下完成。部分实验分析测试部分在四川大学分析测试中心帮助下完成。四川大学杨劲松教授和南方科技大学余沛源教授对该研究提供了宝贵意见。

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哈工大最新Science!突破热电发电器的瓶颈

你能想象把生活的废热和余热,直接转换成电能吗?你了解嫦娥号等深空探测器的供电原理吗?近期,哈工大材料科学与工程学院蔡伟教授、隋解和教授、刘紫航教授团队热电界面材料智能设计和高效器件研制领域取得了关键突破,实现了在300度温差下9.25%的 热能到电能转化效率, 有望提高能源利用效率,研究成果发表在《科学》(Science)上。

热电材料是一种能够实现热能与电能之间直接相互转换的功能材料,由其构成的热电器件具有结构简单、可靠性高、寿命长、无污染等优点,在固态制冷和同位素温差发电器领域已获得应用,在废热回收领域具有广阔的应用前景。

界面材料是构成热电器件不可或缺的重要组成部分,用来阻隔钎料与热电材料间的界面反应,从而维持器件在长期服役过程中的稳定性。当前界面材料的设计多通过高通量试验筛选过渡族金属元素,材料的选择空间有限,急需拓宽合金或化合物作为潜在的界面材料。然而合金与化合物种类庞大,无法通过试错法进行有效筛选。因此,如何高效地为热电材料筛选出高稳定性的界面材料是热电领域的重要课题。

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图1 A:界面材料筛选流程图;图1 B:Mg-Ag-Cu-Sb四元相图;图1 C:室温电阻率与熔点二维图

从吉布斯自由能的角度看,由热电材料组成元素与金属形成的反应物与热电材料能够形成稳定的界面结构。因此,团队以多组元MgAgSb高性能低温热电材料为例,通过理论计算相图预测能与热电材料形成两相平衡的化合物,再结合化合物的室温电阻率和熔点作为判据,为MgAgSb筛选出界面材料MgCuSb,建立了热电界面材料高效筛选策略,并通过不同温区代表性热电材料的界面材料筛选证实了其普适性。MgCuSb/MgAgSb接头经553K退火16天仍保持稳定的界面结构和低的接触电阻率(<1μΩ cm-2),MgAgSb/Mg3.2Bi1.5Sb0.5基热电器件在低温端293K,温差300K时转换效率高达9.25%,且器件性能可靠性得到美国和德国研究机构的第三方独立验证。

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图2 A:所制备的热电器件照片;图2 B:器件转换效率对比

哈工大为论文唯一通讯单位。哈工大材料学院隋解和教授、刘紫航教授为论文共同通讯作者,哈工大材料学院博士生谢亮军和深圳校区博士生尹力、德国亚琛工业大学余愿博士为共同一作。哈工大材料学院博士生孙雨鑫、师文静、曲诺,硕士生吴昊,郭逢凯博士和蔡伟教授,深圳校区张倩教授,西安交通大学博士生彭古扬、武海军教授,美国休斯顿大学宋少伟博士、任志锋教授,德国莱布尼茨固体与材料研究所应聘君博士、科内利乌斯·尼尔施(Kornelius Nielsch)教授,美国西北大学蔡松婷博士参与了相关研究工作。该研究得到了国家自然科学基金委重点项目、哈工大青年拔尖人才科研启动经费和黑龙江省头雁团队项目等资助。

厦大马校成果登上Science封面!

近日,国际顶尖学术期刊Science以封面论文形式刊发了厦门大学马来西亚分校能源与化工学院温国绅副教授(Ts. Dr. Vincent Woon Kok Sin)团队(以下简称厦大马校团队)的最新研究成果:"Curbing Global Solid Waste Emissions toward Net-zero Warming Futures"。该项成果聚焦通过改善全球固体废物管理,探索减缓气候变暖的新途径

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同期,Science还以Perspective形式对该成果进行了科普性报道。

应对气候变化挑战,聚焦减缓全球变暖

城市固体废物对可持续性发展和气候变化的挑战已经为人所知。预计到2020年底,人类活动将导致全球地表温度比工业化前水平上升1.1°C。尽管专家们长期以来一直呼吁应开展可持续的固体废物管理,国际能源署也于20年前发出了行动呼吁,但实际进展甚微。许多发达国家开始优先采用转化能源的方式代替传统垃圾填埋,但选择这一做法主要是由于空间限制和考虑降低能耗成本而不是为了减排。

厦大马校团队收集来自全球43个产生最高城市固体废物的国家和地区(约占2016年全球城市固体废物产生量的86%)数据进行建模,模拟了2020年至2050年的温室气体排放,并对这些国家和地区实现气候目标的可能性进行了评估,填补了数据空白。研究发现,在常规管理路径下,2020年至2050年,城市固体废物将排放320到350亿吨CO2当量的温室气体,超过了《巴黎协定》规定的1.5°C或2.0°C的升温限制下的110到270亿吨CO2当量的排放预算。根据当前的政策执行情况,到2100年,地表气温将上升约2.6°C。

厦大马校团队对如何管理全球固体废物甲烷排放以缓解全球变暖的问题进行了有力的探讨研究指出,固体废物行业近90%的甲烷排放可以通过已经存在的技术避免。因此,各国固体废物管理部门可以重点通过升级废物处理流程(如分离、收集和处理)和倡导推动行为模式转变(包括饮食、消费等模式)来减少排放。

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研究还指出,为缓解全球变暖,2020年至2050年累积温室气体排放路径与实现以Gt CO2-we表示的1.5°C和2°C目标的IPCC累积排放预算有关。研究提出了在以Mt CO2-eq表示的全球甲烷承诺方面减少甲烷排放量的实施路径

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提出运用政策工具,填补研究领域空白

现有的固体废物处理途径包括填埋、回收、焚烧、堆肥和转化为沼气。基于上述研究发现,厦大马校团队评估了低、中、高收入国家和地区4种减缓变暖途径,并探讨了通过这些途径在2020年至2050年间减少温室气体排放的累积影响。这包括:厌氧消化有机废物并利用其产生的生物甲烷(减排70%)、减半废物产生(减排63%)、堆肥有机废物(减排57%)以及改建填埋场添加沼气捕获系统(减排27%)。研究发现,每种途径对实现该行业升温限制目标都有着积极的贡献,但它们都不能达到《巴黎协定》规定的1.5°C的升温限制。因此,必须系统实施多种解决方案。高收入国家和地区产生大量来自加工和包装商品固体废物,应专注于减半废物产生。而中低收入国家和地区所产生的固体废物中有机物含量较高,应专注于厌氧消化。厦大马校团队提出的废物管理做法具有可扩展性,可广泛实施,通过针对不同收入水平的国家和地区群体量身定制,以确保不同国家和地区能够根据其具体情况采取更为有效的减缓变暖战略举措。

此外,研究还表明,最小化温室气体排放的关键杠杆是减少城市固体废物的体积并开展有机废物的可持续管理。然而,要迅速克服实施这些解决方案所遇到的行为和组织障碍,则需要从伦理、环境和财务的角度对社区、工业和政府进行教育和激励。厦大马校团队提出了三类政策性建议,一是加强直接监管,制定并严格执行相关法律;二是使用经济手段,实施激励或惩罚举措;三是运用社会工具,加强利益相关者之间的沟通。

迄今为止,全球尚未有研究聚焦改善固体废物管理并探讨其在缓解全球变暖程度中的作用,以及对其在实现《巴黎协定》1.5°C和2°C路径目标或全球甲烷承诺条款方面的贡献开展全面分析。厦大马校团队的研究结果阐明了全球固体废物系统作为催化剂在保持地球系统限度中的重要作用,率先在该学术领域进行先行探索。

志不求易事不避难,师生携手实现突破

该论文的第一作者为厦门大学马来西亚分校新能源科学与工程系硕士生许正轩(Hoy Zheng Xuan),通讯作者为其导师温国绅副教授(Ts. Dr. Vincent Woon Kok Sin),合作者有厦门大学马来西亚分校数学系曾文强副教授(Dr. Chin Wen Cheong)、捷克布尔诺理工大学Fan Yee Van博士和韩国淑明女子大学Yoo Seung Jick教授。

来源:四川大学、哈尔滨工业大学、厦门大学