化学通报杂志

化学通报杂志2022年第10期

• 钙钛矿太阳能电池的商业化进展与挑战

  薛王欣,张婧,楚亮

  钙钛矿太阳电池是一项颠覆性的光伏技术，具有能量转化效率高、生产成本低、制备工艺简单等优势。当前，钙钛矿太阳能电池的认证效率已达25.7%，但其面临着严重的商业化瓶颈，如稳定性差、模组效率相对低、铅毒性等，且这些问题相互关联。本文简述了钙钛矿太阳能电池的工作原理和器件结构，并归纳总结了在解决钙钛矿太阳能电池稳定性、封装和模组化等商业化瓶颈问题方面的主要研究进展。最后，本文提出了钙钛矿光伏商业化进程中值得关注的解决措施。

• 矿物材料在超级电容器电极中应用的研究进展

  杨芳,吴启启,李宏宇,赵美娜,董伟,何坤,郭懿锋

  矿物资源是人类社会发展和国民经济建设的重要物质基础,是人类社会生产和发展的动力，矿物资源的合理利用在人类的每一次进步飞跃中起着重要意义。目前而言，在能源社会的背景下，人类对矿物资源的利用也在越来越深入。同时，在能源储存方面有着很广阔的应用前景。本文通过晶系分类法综述了各类天然矿物材料在超级电容器上的研究进展，目的是为以后对天然矿物材料在电化学领域进行深入研究奠定一个基础。对存在的问题进行了分析，为下一步的研究提出了建议。

• 固定化多酶策略及易分离的载体材料研究进展

  徐亚楠,周全,吕永康

  多酶级联反应是现代工业过程中重要的生物技术。然而,酶的分离和回收是一项繁琐而费力的工作,因此酶的固定化是实际应用中的关键问题。固定化多酶可以通过底物通道提高酶的催化活性,而易分离的载体材料有利于酶的稳定性和易于回收再利用。本文综述了近年来固定化多酶策略及易分离的载体材料相关研究,内容包括不同固定策略的多酶复合体,阐述了适合固定化酶的易于分离的载体材料,特别是磁性纳米颗粒和膜状材料无需离心即可从本体溶液中分离。总结了固定化多酶在食品生产和生物传感器领域的实际应用,最后对固定化多酶催化反应的发展前景和趋势进行了展望。

• 光学适配体传感器检测赭曲霉毒素A的研究进展

  胡奕津,范申,黄丽珊,杨娟,张红艳

  赭曲霉毒素A(Ochratoxin A,OTA)是真菌产生的次级代谢产物,性质稳定,不易去除,人体摄入后将产生严重的健康危害。数十年来,核酸适配体不断发展,成为生物传感器的重要识别元件之一,适体传感器被广泛用于生物、医药、疾病等分析检测。本文总结了用于检测OTA的经典方法和基于核酸适配体的生物传感器方法,并主要从光学适配体传感器方面阐述了近年用于检测赭曲霉毒素A的适配体传感器,并对其进行了总结和展望。

• 微针的制备及应用研究

  代柏妍,常明,陈龙飞,刘郡,刘兆蒙,徐彩霞,支德福

  本文主要针对微针的材质、分类、设计、制备与加工方法进行分析，例举了金属、硅、高分子聚合物和一些其他的微针材料。同时也对微针的应用，例如经皮给药的方法、途径、影响进行说明，也对其作用于糖尿病、皮肤病和其他疾病及其复合应用进行了简单分析。高分子聚合物微针和新型微针的发展可以显著提高药物的透皮速率和分子量，但是在安全性上还有待进一步研究。

• 粉防己碱及其衍生物的全合成与结构修饰

  许颖,付纪源,王雨情,刘冰,陈宁,刘颖杰,于蕾,吴健

  粉防己碱为双苄基异喹啉类化合物，主要分布在防已科千金藤属植物粉防己的块根中，具有多种生物活性如镇痛消炎、降压、抗肝纤维化和抗肿瘤等，其中，粉防己碱在抗肿瘤方面的药理活性尤为突出。由于此类化合物具有良好的药理活性，吸引了大量有机合成和药物化学等领域学者的关注。因此，本文从粉防己碱的全合成出发，重点综述了其C-5位，C-14及N-甲基位等位点的结构修饰的方法。在此基础上，对粉防己碱抗肿瘤方面的应用进展进行综述，并简要介绍其合成路线，为新药的研究与开发寻找一条条件温和、产率高、绿色安全、原料易得的合成路线。

• 表面活性离子液体参与构筑的胶束体系

  赵学艳,肖瑞杰,曹桂荣

  离子液体的可设计性,使得新型表面活性离子液体不断涌现,从而将具有不同功能基团的离子液体引入到了传统的有序分子聚集体中,这也将有助于实现有序分子聚集体的可控性和功能化。本文综合评述了表面活性离子液体在水溶液及离子液体中的胶束化行为,重点总结了烷基碳链长度、阴离子结构和阳离子结构对表面活性离子液体聚集行为的影响,介绍了新型功能性表面活性离子液体在水溶液中的胶束化行为,分析了表面活性离子液体与传统表面活性剂复配体系的协同增效作用,并探讨了表面活性离子液体构建的胶束体系的发展方向。

• 用于柔性应变传感器的离子凝胶的研究进展

  刘家齐,赵迅,李雪纯,孙芳

  随着生活智能化和生产数字化的发展,人们对于柔性传感器、柔性储能器件、柔性显示屏等柔性电子器件的需求和要求逐渐提升,这迫切需要开发具有优良拉伸性能、高透明度和适用温度范围大的柔性导电材料。离子凝胶是一种将离子液体限制在固态三维网络结构的导电弹性材料,其在耐热性、稳定性和力学性能等方面有着明显优势,在柔性电子器件的制造中有着巨大应用潜力。本文将从构成离子凝胶的固态三维网络的分类、结构与性质的改进来综述离子凝胶在柔性应变传感器的研究进展并对离子凝胶的研究发展趋势进行展望。

• 机器学习结合密度泛函理论计算在材料科学中的研究进展

  夏杰桢,曹蓉,吴琪

  近年来，材料科学研究中密度泛函理论(DFT)计算与机器学习相结合的方法呈现爆炸式增长的趋势。本文综述了密度泛函理论(DFT)及其高通量方法产生的大量计算数据与机器学习相结合的原理和意义，从DFT计算的基本原理出发，重点介绍了机器学习(ML)方法的流程、常用的算法及其在催化材料预测热门研究方向中的应用，最后剖析了这个新兴领域目前存在的研究问题、挑战以及未来的发展前景。

• 催化裂化催化剂有机硫氮转化机理量子化学分析

  邢梦可,张璇,董智鹤,栾辉,唐智和,王巍树,李巨峰,孟祥海,刘海燕,张睿

  国家环保法规的日益严格使得对催化裂化（FCC）再生烟气提出了更高的管控要求，再生烟气中污染物组成复杂且转化机制尚不清楚，迫切需要深入理解FCC待生催化剂中污染物的转化机理。对待生催化剂中有机硫和有机氮进行合理简化，选取合适的模型化合物，采用Gassian09软件，在B3LYP/def2-TZVP级别下，对模型化合物进行几何优化得到最稳定构型，并进行振动分析。利用Multiwfn多功能波函数分析仪对优化后模型化合物进行Laplacian键级分析（LBO），通过LBO键级计算结果，得到自由基在再生过程中的详细转化机理。结果表明，含氮化合物中C—N键和含硫化合物中C—S键与C—C键相比均较弱，在催化剂再生过程中会优先发生断裂，生成不同的含氮（NH3、HCN）、含硫（H2S、COS）中间体，随后进一步与氧气反应生成相应的NOx、SOx。

• 三苯胺类染料敏化太阳能电池能量转化效率的全息定量构效关系研究

  焦龙,尹丽娜,钟汉斌,马羚,李睿,王芹

  研究构建了三苯胺类化合物分子结构与相应染料敏化太阳能电池能量转化效率(PCE)之间的全息定量构效关系(HQSAR)模型。当fragment distinction、fragment size、hologram length和principal components分别为“C、DA”、“4-7”、“199”和“6”时,可以获得最优HQSAR模型。采用外部测试集验证和留一交叉验证对所建立模型进行检验,外部测试集验证中CCC和 Q2F3分别为0.933和0.892,留一交叉验证中其q2cv和r2分别为0.791和0.902,表明所建立模型具有较好的拟合效果和预测能力。通过所建立HQSAR模型的分子贡献图可知,环戊并二噻吩基团的存在有利于提高PCE值,长烷基链的存在可能降低PCE值。

• 基于电性距离矢量研究多氯联苯生物降解速率常数

  冯长君,杨杰元,杨雪颖,杨沛艳,冯惠

  通过多元线性回归和人工神经网络方法建立66种多氯联苯生物降解速率常数(K1)的定量构效关系(QSAR). 基于电性距离矢量(Mk)，建立了lnK1的最佳三参数(M91、M25和M15)线性模型，其传统相关系数(R2)、交叉验证系数(Rcv2)分别为0.833、0.809。经R2、Rcv2、VIF、FIT、AIC检验，所建模型具有较强的稳定性和良好的预测能力. 将M91、M25、M15作为人工神经网络的输入层结点，采用3:10:1的网络结构，利用BP算法获得了一个令人满意的lnK1模型，训练集、验证集、测试集和总体的R2依次为0.991、0.995、0.997和 0.993。与多元线性回归模型相比，非线性lnK1-BP模型具有更好的预测能力。这两种回归方法相辅相成，线性回归方法为神经网络模型提供了具体的物理解释，而神经网络方法为线性模型提供了更准确的预测结果。

• 二甲双胍化学反应性的密度泛函理论研究及实验研究

  付梦蕾,曲有乐,王刚,林强,邵开源,胡文祥

  二甲双胍(MET)是一个非常优良的降血糖药，一直是治疗II型糖尿病(T2DM)的首选药物，但其脂溶性较差，也存在引起胃肠道不适等副作用，对其结构修饰和衍生化，特别是将其研制成前药(Prodrug)具有一定的临床意义。为了探明二甲双胍化学反应的性能特点，本文基于密度泛函理论（DFT）开展了二甲双胍的化学内禀性质研究，包括各种可能互变异构体的单点能和量子化学反应性指数。此外，还对各异构体互变过程的过渡态以及它们的反应路径进行了研究。在此基础上，本文还对二甲双胍与亲电试剂的化学反应机理进行了初探，并用化学合成反应来验证，从而让我们能够从理论上弄清楚二甲双胍化学反应的特殊性质。

• 基于分子指纹对黄酮类化合物及其抗DPPH自由基活性的QSAR分析

  卢昂,陈壮志,巫秀美,马秀英,赵昱

  应用定量构效关系（Quantitative structure activity relationship, QSAR）研究阐明黄酮类化合物（Flavonoid compounds, FCs）的子结构指纹（Substructure fingerprint）与1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl, DPPH）自由基清除能力之间的关系，从而指导高效抗氧化物质的设计和发现。在PubMed数据库中收集77个具有明确抗氧化活性的黄酮类化合物，而在ChEMBL数据库中收集86个无抗DPPH活性的黄酮类化合物。这163个黄酮类化合物的子结构指纹由PubChem系统生成，然后通过卡方检验筛选出与黄酮类化合物的抗氧化活性显著相关的分子指纹，最后通过判别分析建立预测QSAR模型，并采用回代法和交叉验证法对已建立的模型进行准确性和稳健性的验证。结果表明，黄酮类化合物抗DPPH自由基活性与ESSSR环的计数、简单相邻原子的类型和简单的SMARTS模式等因素有关。此外，所建立的QSAR模型能较好地预测黄酮类化合物的DPPH自由基清除活性，可用于评价候选抗氧化剂的潜力。

• 从“得失氧”到“极性翻转”:氧化还原反应概念的历史演变

  栗艳丽,袁振东[]

  18世纪末，拉瓦锡在氧化学说范式下，建立了“得失氧”角度上的氧化还原反应的概念。19世纪，约翰逊在化合价学说的基础上，发现氧化还原反应的共同特征是“化合价升降”，其概念扩大至反应前后化合价发生升降的一类反应。20世纪初，弗莱从“电子转移”的角度解释了化合价升降的原因，揭示了氧化还原反应的微观本质。1948年，格拉斯顿在价键理论和电负性基础上，从“氧化数变化”的角度提出了氧化还原反应的人为表征概念。20世纪末，古德斯坦和李良助分别从“电负性顺序”和“极性翻转”角度提出了氧化还原反应的现代理解。氧化还原反应概念的发展史，反映了化学思想的发展和科学认识的变化，对化学研究有重要的启示。

• 2020年诺贝尔化学奖的再思考——归属争议与原创表彰

  陈彪,朱玥玮,付小航,狄雨萌,吴又进

  2020年诺贝尔化学奖授予两位女性科学家——埃马纽埃尔.卡彭蒂耶和詹妮弗.杜德纳。回顾CRISPR-Cas9技术的发展史,她们完整地说明了该技术的原理、作用,并研发了CRISPR-Cas9基因编辑技术,符合诺贝尔奖奖励原创的要求,是争议最小的获奖者人选。专利和诺贝尔奖在维护发明者权益、促进科学的发展上都具有重要的作用,且不能仅以其中一项的结果判断另一项的归属,目前的归属差异不影响非商业应用的学术研究,并客观上推动了原创研究的产出。进一步思考原创的概念,明确基础科学的定位,加强对创新人才的鼓励和支持,注重诺贝尔奖颁奖历史的梳理,也是本次诺贝尔奖给予我们的启示。