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1、项目名称：仿生纳米通道能量转换材料体系及器件首席科学家：危岩 清华大学起止年限：2010.9至2015.9依托部门：教育部二、预期目标总体目标本项目的总体目标是通过仿生纳米通道能量转换体系的研究，探索生命体系高效利用能源的奥秘，建立仿生产能器件的整体设计思路，构建仿生能源结构的微观表征平台和技术手段。研制出几个基于仿生新原理、新概念的先进能源转换原型器件，使我国在仿生能源领域的研究进入国际先进行列。籍此发表至少200篇SCI论文，其中影响因子大于3的文章不少于100篇。培养一批高层次的研究人才，包括2-3名具有国际影响力的科学家，若干名国家杰出青年基金获得者,培养和造就一批高层次的研究人才，形
2、成几个在相关领域中有国际影响的研究群体。形成几个在国内外有重要影响的能源材料和仿生材料与器件的研究基地。为可再生能源材料和技术领域的可持续发展及其成果转化提供新知识、新方法、新技术和新材料，形成具有自主知识产权的关键材料与新型器件，促进我国新能源产业未来的发展。五年预期目标1. 研究具有能量转换、传递与储存功能的生物体的结构及原理。设计和制备仿生功能分子与纳米结构单元，重点研究具有能量转换功能的新型分子与纳米结构的组成、尺寸、形貌和性能。 2. 开展仿生功能分子与功能纳米结构单元的组装研究；设计、构筑结构及在能量转换、传递和储存等功能上具有协同效应的多尺度、多维度结构的界面、通道（包括仿生选择
3、性透过薄膜）及电极材料体系。 3. 模拟自然界设计、构筑出新原理、新概念的仿生能量转换体系及器件；重点研究基于生物体离子通道的光-化学能和光-电能量转换材料与器件（包括新型的质子光电转换器，能差纳流电池，酶通道反应器，纳米多级多尺度结构催化材料体系）和基于非对称膜的新型高效电池系统（如锂-铜电池）。 4. 全面开展仿生纳米通道能量转换材料体系中的能量转化与输运规律的实验、理论和器件研究；发展仿生纳米结构能量转换体系及器件的测试与表征新方法、新技术和搭建相关测试平台；选择典型的能量转换界面材料、通道（包括仿生选择性透过薄膜）及电极材料体系进行多尺度效应、界面效应和多重弱相互作用协同效应研究，总结
4、对仿生纳米通道能量转换材料应用有实际指导意义的规律，推动仿生纳米通道能量转换材料及器件的性能提高。 5. 仿生纳米通道能量转换器件的集成，构筑光能-化学能-电能集成器件；在新能源器件及关键能量转换纳米材料规模化制备上有所突破；形成具有自主知识产权的关键材料与器件，为我国新能源产业未来发展提供新原理，新思路与新技术，做出具有显示度的重大成果。 三、研究方案本项目针对我国未来能源产业发展具有重大影响的关键智能界面材料和智能膜材料的设计、制备与应用中的关键科学问题进行研究，从战略性、前瞻性、基础性的重大共性问题出发，发挥纳米、能源、材料、化学、物理和生物等多学科交叉的优势，对能量转换材料及器件领域的
5、重要问题重点突破。利用微纳结构、多尺度效应、界面效应和协同效应，仿生原理、设计与构筑基于新原理、新概念、新结构的仿生能量转换材料，探索新能源器件的集成。本项目的总体思路是：从认识自然界和生命体系中一些生物电现象出发，研究生命体结构与高效产能特性的内在关联；受其启发，通过设计仿生功能分子和功能分子在智能界面的组装，实现功能仿生纳米通道单元的制备；将智能孔道集成发展为智能薄膜；探索多尺度，多维度的孔道结构单元智能化组装，并最终实现能源转换原型器件，如图一所示。图一、“仿生智能纳米通道能量转换材料体系及器件集成”总体思路示意图。本项目从仿生角度出发，结合已有研究基础，系统深入研究自然界中能量转换与储
6、存的机制与规律及其结构与性能之间的内在本质，构筑从分子到纳米、微米多尺度仿生能量转换材料体系，通过模仿自然构筑新原理或新结构的仿生能量转换材料和器件。从认识自然到模仿自然进而超越自然，实现能量利用最大化和环境成本最小化，推动对传统能源器件的升级改造。研究特色与创新点（1） 从仿生的角度，将功能分子在具有特殊响应特性的界面上进行组装，并使之功能化。（2） 从新原理和新材料、新技术的角度，解决可再生能源的高效和集成问题，通过对仿生纳米通道能量转换材料体系与器件的深入系统研究，实现基础研究与国家发展目标的紧密衔接。（3） 源于自然，至少在某个或某些方面超过自然！实现能量利用最大化和环境成本最小化。（
7、4） 将可控的分子自组装技术应用于功能化的人工纳米孔道的制造，它既是瞄准学科发展前沿，同时又是面向国家发展的重大战略需求提出的。课题的可行性本项目是纳米、能源、仿生、材料、化学和物理器件交叉性很强的前沿科学，是解决纳米能源问题的新途径，正引起国际学术界和产业界的广泛关注。本项目在我国几个重要的科学研究基地（如清华大学、中国科学院化学研究所、北京航空航天大学、北京师范大学、中科院长春应用化学研究所、中科院青岛能源所等六家国内一流高校和科研院所单位，参加基地涵盖了两个国家实验室：北京分子科学国家实验室（筹） 、航空科学与技术国家实验室（筹） ；一个国家重点实验室：电分析化学国家实验室；两个国家中心
8、：北京电子能谱中心、国家电化学和光谱研究中心，两个教育部重点实验室和两个科学院重点实验室）长期交流、合作基础上，围绕仿生纳米通道能量转换材料体系与器件这一新的学术增长点，自发形成的优秀团队，拥有 1名，2名，国家杰出青年科学基金获得者4 名，中国科学院百人计划入选者 6 名等优秀人才。研究团队成员分布在不同的学科（包括化学、纳米材料、能源、仿生、材料物理、生物等学科），在各自的学科领域取得了突出的成绩，前期基础工作雄厚。这一国内优势单位组成的跨学科的研究团对的研究条件互补性强，具有仿生纳米通道功能分子、结构单元及纳米能量转换材料体系制备、表征的条件，拥有仿生能源器件制造加工技术平台、和器件性能
9、表征等的必备手段与条件。参加本项目的研究队伍具有锐意进取、勇于拼搏、严谨扎实的科研精神，具有分析和解决重要科学和技术问题的能力，完全具备完成本项研究的条件。本项目的研究目标明确，交叉性强和创新性突出，研究计划合理可行，研究队伍优秀，基地的研究条件优异，项目是切实可行的。如能获得经费支持，必将能在仿生纳米通道能量转换材料体系与器件这一新的学术增长点方面做出具有国际影响和中国特色的工作， 将推动我国能源科学和纳米科学的发展。课题1 ：生物体系高效能量转化的基本原理研究目标：完成向生物体系能源转换的高效机制学习，并将其应用于仿生智能纳米通道材料体系的设计、构建和组装；利用材料设计的手段优化和组合智能
10、通道，为制备新型智能通道材料和器件（课题2和3）打下理论基础。研究内容：本课题主要从事生物体系结合纳米孔道材料后的活性研究以及生物体系中能量转化的模拟与分析，了解生物体系中能量转化的化学反应原理，能量传导过程以及能量的表达方式和途径。为建立新型仿生智能纳米通道材料的理论提供实验基础。结合智能响应功能界面材料的研究基础，我们将原有外场如电、光、热、应力、应变、化学、环境等响应的界面/表面特性和原理拓展到纳米尺度通道，设计智能响应性仿生通道，并将其应用于能源转换领域。承担单位：清华大学、北京航空航天大学负责人：危岩教授 （，长江讲座教授）（清华大学）主要学术骨干：刘冬生（教授，杰出青年，百人计划）
11、；相艳（教授）；范文宏（副教授）；梁大为（副教授）经费比例：31课题2 ：仿生纳米通道功能分子及结构单元的制备研究目标：完成系列仿生功能分子体系和纳米通道单元的设计、构建和组装；对仿生材料在纳米通道体系中的能量转换机制提出新的认识。为课题3和课题4提供材料体系的新制备方法和新材料。研究内容：本课题围绕着仿生纳米通道功能分子及结构单元的制备开展相关工作。通过模拟在自然界中高效能量转换过程中起关键作用的分子结构和功能，我们运用新的合成技术，制备新型仿生高效的光质子化分子材料。研究这些仿生材料体系中的能量/电子转移过程，探索它们在高效光能到电能转化以及能源存储方面的应用。承担单位: 北京师范大学、中
12、科院长春应用化学研究所负责人: 薄志山 （教授，杰出青年，百人计划）（北京师范大学）； 主要学术骨干: 王宏宇（研究员，百人计划）；邢巍（研究员）；刘正平（教授）；朱嘉（副教授）经费比例：22.4课题3 ：仿生纳米通道能量转换材料体系的构筑及仿生器件集成研究目标：开发出仿生离子选择透过新型电池膜材料及结构仿生的多尺度多维度的微纳电极材料；构筑出基于仿生纳米通道的新型能量转换器件（包括新型质子电池、能差电池、锂-金属电池及生物酶能量转换器件）；实现仿生能源器件集成，构筑光能-化学能-电能集成器件。研究内容：通过对高选择性细胞质膜的仿生研究，利用合成材料制备功能仿生的离子选择性通道材料和结构仿生的
13、多尺度多维度的微纳电极材料，用于离子（H+、Li+等）选择透过新型电池研究。构建基于仿生纳米通道的新原理、新结构、新概念的能量转换与存储器件（包括新型的“化学营养分子”驱动的生物能量转换器件、直接利用化学物质能发电的电机、基于生物离子通道的新型能差电池、新型质子电池、及生物酶转换器件和锂-金属电池）。研究仿生能源器件集成途径，构筑光能-化学能-电能集成器件，探索高效能量转换、存储与利用新形式。承担单位： 中国科学院化学研究所、中科院青岛能源所负责人： 郭玉国 （研究员，百人计划）（中科院化学所）主要学术骨干：崔光磊（研究员，百人计划）；聂富强（副研）；衡利平（助研）；郭维（助研）经费比例：24
14、.2课题4 ：仿生纳米通道体系的能量转化与输运规律研究研究目标：探索仿生能量转换体系中能量转化与输运规律，为仿生纳米通道能量转换材料体系及器件提供新原理。通过对仿生体系的能量转化与输运规律的认知，指导利用纳米结构构建新型的能量转换材料体系，发展全新的能量转换器件。研究内容：以植物的光合作用和生命体系中能量转换系统，如对光敏感的视网膜，对浓差敏感的电鳗为研究对象，探索其实现高效能量转换的基本原理，并获得自然界和生命体系中生物材料的结构与能量转换，能量储存等性质方面的构效关系。研究在外场作用下仿生纳米通道中的物质传输和能量转化规律，为仿生纳米结构的制备提供最基本的理论依据。构建生物光电转换器件，建
15、立生物信息流的测试新方法和新技术。承担单位：北京航空航天大学、清华大学负责人： 高秋明 （教授，百人计划）（北京航空航天大学）主要学术骨干：李景虹（长江特聘教授，杰出青年，百人计划）；翟锦（教授）；冯琳（副教授）；刘兆阅（副教授）经费比例：22.4各课题间相互关系本项目从仿生角度出发，结合已有研究基础，系统深入研究自然界中能量转换与储存的机制与规律及其结构与性能之间的内在本质，构筑从分子到纳米、微米多尺度仿生能量转换材料体系，通过模仿自然构筑新原理或新结构的仿生能量转换材料和器件。从认识自然到模仿自然进而超越自然，实现能量利用最大化和环境成本最小化，推动对传统能源器件的升级改造。图二、子课题的研究内涵及相互关系示意图。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年度1. 完成视紫质单体与自聚合体的获取与光电基本功能表征，解析其结构与性能的关系；2. 选择非表面活性剂小分子和大分子为模板用溶胶凝胶法制备纳米孔道组装模块；3. 进行核酸序列设计与合成；开展疏水树形大分子的设计与合成；开展核酸序列与疏水树形大分子的连接、纯化与表征研究；4. 含有芘和卟啉以及小分子开链烷基取代的季铵盐等光电功能分子的设计合成与表征，发展100克级以上的制备方法，并进行纳米孔道表面功能化修饰的探索；5. 仿生叶绿素分子C-P-Q的合成，并通过螯合作用与介孔二氧化钛形成拥有仿生纳米通道
