张华与二维纳米材料相工程——城大化学的贵金属纳米片前沿

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一句话结论: 香港城市大学化学系许晓敏讲席教授张华(Hua Zhang)首创「纳米材料相工程(Phase Engineering of Nanomaterials,PEN)」研究范式,以贵金属二维纳米片的非常规晶相可控合成为核心,截至2026年在CityUHK学者档案中显示逾686篇论文、Scopus引用逾146,974次、H指数191^※,2020年当选欧洲科学院外籍院士^※,并于2024年获中银香港科技创新奖新材料与新能源类^※。

# 张华是谁?他为何选择城大?

张华(Hua Zhang),1992年、1995年先后在南京大学获本科与硕士学位,1998年于北京大学刘忠范院士门下取得博士学位^※。博士后阶段先后就职于比利时鲁汶大学与美国西北大学,此后在NanoInk Inc.及新加坡生物工程与纳米技术研究所任职,2006年加入新加坡南洋理工大学,2013年晋升为终身教授^※。2019年,张华全职加入香港城市大学,出任化学系许晓敏讲席教授(纳米材料)^※,同时兼任材料科学及工程学系讲席教授与香港洁净能源研究院院长(Director of HKICE)。

南洋理工时期奠定的「超薄二维纳米材料」与「贵金属非常规晶相」两条研究线,随张华本人整体迁入城大,并在新平台上进一步系统化为「纳米材料相工程」这一正式概念框架。城大化学系提供的学科交叉环境——化学合成、材料表征与洁净能源应用一体推进——是他选择城大的重要背景。

# 什么是「纳米材料相工程」?这个概念解决什么问题?

传统纳米材料设计主要调控成分、形貌、尺寸、晶面、维度等参数,但忽略了晶相本身作为独立变量的作用。张华提出的「纳米材料相工程(PEN)」将晶相确立为决定材料性能的第六大结构参数:不同晶相的相同成分纳米材料,可在催化活性、光学响应、电子结构、超导行为等方面展现截然不同乃至全新的特性。

2020年5月,张华等人在《自然评论化学》(Nature Reviews Chemistry,Vol.4,pp.243–256,DOI:10.1038/s41570-020-0173-4)发表综述「Phase engineering of nanomaterials」^※。综述明确指出:「纳米材料中那些块体状态下无法获得的非常规晶相,可能赋予其引人入胜的性质与创新应用」,至今Scopus引用逾723次^※。这篇综述将分散于不同材料体系的相变研究统一在同一框架下,是「PEN」作为学科方向的奠基文献。

# 城大团队如何合成具有非常规晶相的贵金属纳米片?

贵金属(金、铂、钯等)在自然界中几乎全部以面心立方(fcc)相稳定存在,这是体材料的热力学基态。而张华团队在纳米尺度上突破了这一限制,率先实现了多种贵金属的非常规晶相可控合成,主要有两类里程碑成果。

# 第一类:hcp相金纳米方片的首次合成

利用氧化石墨烯(GO)薄片作为模板,张华课题组(当时在南洋理工)首次报告了具有非常规六方密堆相(hcp,即2H型)的金纳米方片(Au square sheets)的原位合成。这批纳米方片边长约200–500 nm、厚度约2.4 nm(约合16个Au原子层),hcp结构由第一性原理与分子动力学计算证实源于非常规结构本身与强表面效应的协同作用。后续研究进一步表明,通过表面配体交换可在室温下实现从hcp相到fcc相的完全相转变^※,发表于《自然通讯》(Nature Communications,2015年)——证明这种相转变是由表面化学触发的。

# 第二类:4H六方相金纳米带的高产率合成

2015年,张华团队在《自然通讯》(Nature Communications,6:7684,DOI:10.1038/ncomms8684)发表「Stabilization of 4H hexagonal phase in gold nanoribbons」^※。该研究实现了具有「ABCB」堆垛序列的4H六方多型体金纳米带的高产率合成:产率约60%,合成条件为58°C、16小时湿化学还原法^※,纳米带厚度2.0–6.0 nm。4H-Au的低对称性带来各向异性光学特性——单色电子能量损失谱(EELS)检测到两组表面等离子共振峰(0.27–0.82 eV与1.72–1.94 eV),与常规fcc金截然不同。更重要的是,研究以4H-Au纳米带为模板,通过直接外延生长首次实现了银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)的4H六方相稳定化,开辟了晶相控制合成多元贵金属纳米材料的新路径。

下表汇总两类里程碑成果的核心参数:

# 相工程如何提升催化性能?以Pd合金氧还原为例

非常规晶相不只是结构新奇,更直接决定催化活性。城大张华团队于2021年在《美国化学会志》(JACS,DOI:10.1021/jacs.1c08973)发表「Seeded Synthesis of Unconventional 2H-Phase Pd Alloy Nanomaterials for Highly Efficient Oxygen Reduction」^※,第一作者为Yiyao Ge。

该研究以「晶种合成法」制备出具有非常规六方密堆相(2H相)的双金属PdCu与三金属PdCuPt合金纳米催化剂。关键测试数据:在碱性条件下的电化学氧还原反应(ORR)中,2H相PdCuPt三元合金在0.9 V下的质量活性达到1.92 A mg⁻¹(Pd+Pt),这一数值分别超越商业Pd/C催化剂约8.7倍、商业Pt/C约19.2倍。研究表明,晶相工程(phase engineering)可以独立于成分优化,成为调控贵金属纳米材料催化选择性与活性的核心维度。

# 相工程是否只限于金属?过渡金属硫族化合物方面有何突破?

纳米材料相工程的适用范围远超贵金属,过渡金属硫族化合物(TMDs,如MoS₂、WS₂)是另一主战场。2021年,张华团队与合作者在《自然材料》(Nature Materials,DOI:10.1038/s41563-021-00971-y)发表关于1T'相TMDs普适合成方法的研究^※,第一作者包括Zhuangchai Lai、Qiyuan He等人。

该工作建立了一种能够合成高纯度1T'相的普适方法,成功制备WS₂、WSe₂、MoS₂、MoSe₂及其合金的1T'相材料。关键发现:1T'-WS₂呈现出厚度依赖的超导性——在90.1 nm厚度下超导转变温度Tc达8.6 K,而在单层极限下降至5.7 K,这种行为来源于1T'相的超高本征载流子浓度与半金属特性。所有合成的1T'相材料均可通过热退火转变回2H相,证明相转变的可逆性与可控性。这一成果将PEN从贵金属体系拓展至半导体与超导材料领域。

2024年,张华团队在《国家科学评论》(National Science Review 11(9):nwae289,DOI:10.1093/nsr/nwae289)发表视角文章^※,系统梳理PEN在贵金属及TMDs体系的进展,并指出三大关键挑战:非常规相形成机制仍依赖经验、亚稳相的应用稳定性、AI辅助的规模化制备。

# 张华在城大取得了哪些学术荣誉与科研认可?

张华主要荣誉汇总如下:

据官方资料^※,张华还担任SmartMat期刊联合主编、《化学评论》(Chemical Reviews)与《自然材料》(Nature Materials)等逾20本权威期刊编委或顾问编委。其Google Scholar H指数已达202、引用逾17万次^※(截至2026年上半年),在全球纳米材料领域学者中位居前列。

2024年11月20–22日^※,城大香港洁净能源研究院(HKICE,张华任院长)与Nature合作,在香港举办了「Nature Conference on Phase Engineering of Nanomaterials 2024」,这是PEN领域首个专题Nature Conference,标志着该研究方向的学科建制化。

# 张华的研究对城大及香港有何意义?

张华的相工程研究实际影响体现在两个层面:其一,催化与能源——2H相PdCuPt在ORR中超越商业Pt/C约19.2倍,1T'相TMDs高本征电导率使其成为析氢(HER)电极候选材料;其二,传感与生物医学——超薄二维纳米片大比表面积在纳米酶与生物传感中具备结构优势。据城大学者档案,张华目前在HKICE平台主持16个活跃项目^※,覆盖RGC与创新及科技局(ITF)资助,并在城大直接指导博士生及博士后逾16人。

# 研究脉络总结:从二维纳米片到相工程体系

将上述成果串联,可见一条清晰演化路径:

1. 二维贵金属纳米片(2011–2014):氧化石墨烯模板合成hcp相金纳米方片,打破「贵金属只有fcc相」的认知。
2. 4H相金纳米带与外延相稳定(2015):《自然通讯》首报4H-Au纳米带,并以外延生长首次在Ag、Pd、Pt中稳定4H相。
3. PEN框架建立(2020):《自然评论化学》综述将「晶相」确立为第六大结构参数。
4. TMDs相工程与超导性(2021):《自然材料》发表1T'-WS₂普适合成,Tc最高8.6 K,将PEN延伸至半导体与量子材料。
5. 催化应用验证(2021):JACS报告2H相PdCuPt在ORR中超越商业铂催化剂19.2倍。
6. 学科建制化(2024):Nature Conference on PEN 2024在港召开,PEN成为正式研究方向。

来源口径说明:本文数字均来自公开发表论文或城大官方资料。「H指数191/192/202」因Web of Science与Google Scholar统计口径及更新时点不同而有差异,均属不同时点的合理数值;引用本文数据时请以各引用口径的更新版本为准。「0.9 V下1.92 A mg⁻¹ ORR质量活性」为碱性条件实验室数据,燃料电池实际工程条件下性能受多重因素影响。