張華同二維納米材料相工程——城大化學嘅貴金屬納米片前沿

香港城市大學(CityUHK)綜合資訊資料庫 · 04 科研模組 · 材料學深挖系列 總覽同其他標誌性突破見 materials-and-engineering-research.md;張華嘅學術榮譽同院士身份亦見 named-centres-and-honours.md。

一句話結論: 香港城市大學化學系許曉敏講席教授張華(Hua Zhang)首創「納米材料相工程(Phase Engineering of Nanomaterials,PEN)」研究範式,以貴金屬二維納米片嘅非常規晶相可控合成做核心,截至2026年喺CityUHK學者檔案顯示逾686篇論文、Scopus引用逾146,974次、H指數191^※,2020年當選歐洲科學院外籍院士^※,並喺2024年攞到中銀香港科技創新獎新材料與新能源類^※。

# 張華係邊個?佢點解揀城大?

張華(Hua Zhang),1992年、1995年先後喺南京大學攞到學士同碩士學位,1998年喺北京大學劉忠範院士門下攞到博士學位^※。博士後階段先後喺比利時魯汶大學同美國西北大學做研究,之後喺NanoInk Inc.同新加坡生物工程與納米技術研究所任職,2006年加入新加坡南洋理工大學,2013年晉升為終身教授^※。2019年,張華全職加入香港城市大學,出任化學系許曉敏講席教授(納米材料)^※,同時兼任材料科學及工程學系講席教授同香港潔淨能源研究院院長(Director of HKICE)。

南洋理工時期奠定嘅「超薄二維納米材料」同「貴金屬非常規晶相」兩條研究線,隨住張華本人整體遷入城大,並喺新平台上進一步系統化為「納米材料相工程」呢個正式概念框架。城大化學系提供嘅學科交叉環境——化學合成、材料表徵同潔淨能源應用一體推進——係佢選擇城大嘅重要背景。

# 乜嘢係「納米材料相工程」?呢個概念解決緊咩問題?

傳統納米材料設計主要調控成分、形貌、尺寸、晶面、維度等參數,但忽略咗晶相本身作為獨立變量嘅作用。張華提出嘅「納米材料相工程(PEN)」將晶相確立為決定材料性能嘅第六大結構參數:唔同晶相嘅相同成分納米材料,可以喺催化活性、光學響應、電子結構、超導行為等方面展現截然不同以至全新嘅特性。

2020年5月,張華等喺《自然評論化學》(Nature Reviews Chemistry,Vol.4,pp.243–256,DOI:10.1038/s41570-020-0173-4)發表綜述「Phase engineering of nanomaterials」^※。綜述明確指出:「納米材料中嗰啲塊體狀態下無法獲得嘅非常規晶相,可能賦予其引人入勝嘅性質同創新應用」,至今Scopus引用逾723次^※。呢篇綜述將分散喺唔同材料體系嘅相變研究統一喺同一框架下,係「PEN」作為學科方向嘅奠基文獻。

# 城大團隊點樣合成具有非常規晶相嘅貴金屬納米片?

貴金屬(金、鉑、鈀等)喺自然界中幾乎全部以面心立方(fcc)相穩定存在,呢個係體材料嘅熱力學基態。而張華團隊喺納米尺度上突破咗呢個限制,率先實現咗多種貴金屬嘅非常規晶相可控合成,主要有兩類里程碑成果。

# 第一類:hcp相金納米方片嘅首次合成

利用氧化石墨烯(GO)薄片做模板,張華課題組(當時喺南洋理工)首次報告咗具有非常規六方密堆相(hcp,即2H型)嘅金納米方片(Au square sheets)嘅原位合成。呢批納米方片邊長約200–500 nm、厚度約2.4 nm(約合16個Au原子層),hcp結構由第一性原理同分子動力學計算證實源於非常規結構本身同強表面效應嘅協同作用。後續研究進一步表明,通過表面配體交換可以喺室温下實現從hcp相到fcc相嘅完全相轉變^※,發表喺《自然通訊》(Nature Communications,2015年)——證明呢種相轉變係由表面化學觸發嘅。

# 第二類:4H六方相金納米帶嘅高產率合成

2015年,張華團隊喺《自然通訊》(Nature Communications,6:7684,DOI:10.1038/ncomms8684)發表「Stabilization of 4H hexagonal phase in gold nanoribbons」^※。該研究實現咗具有「ABCB」堆垛序列嘅4H六方多型體金納米帶嘅高產率合成:產率約60%,合成條件為58°C、16小時濕化學還原法^※,納米帶厚度2.0–6.0 nm。4H-Au嘅低對稱性帶嚟各向異性光學特性——單色電子能量損失譜(EELS)檢測到兩組表面等離子共振峯(0.27–0.82 eV與1.72–1.94 eV),同常規fcc金截然不同。更重要嘅係,研究以4H-Au納米帶做模板,通過直接外延生長首次實現咗銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)嘅4H六方相穩定化,開闢咗晶相控制合成多元貴金屬納米材料嘅新路徑。

下表匯總兩類里程碑成果嘅核心參數:

# 相工程點樣提升催化性能?以Pd合金氧還原為例

非常規晶相唔單止係結構新奇,更直接決定催化活性。城大張華團隊喺2021年喺《美國化學會志》(JACS,DOI:10.1021/jacs.1c08973)發表「Seeded Synthesis of Unconventional 2H-Phase Pd Alloy Nanomaterials for Highly Efficient Oxygen Reduction」^※,第一作者為Yiyao Ge。

該研究以「晶種合成法」製備出具有非常規六方密堆相(2H相)嘅雙金屬PdCu同三金屬PdCuPt合金納米催化劑。關鍵測試數據:喺鹼性條件下嘅電化學氧還原反應(ORR)中,2H相PdCuPt三元合金喺0.9 V下嘅質量活性達到1.92 A mg⁻¹(Pd+Pt),呢個數值分別超越商業Pd/C催化劑約8.7倍、商業Pt/C約19.2倍。研究表明,晶相工程(phase engineering)可以獨立於成分優化,成為調控貴金屬納米材料催化選擇性同活性嘅核心維度。

# 相工程係咪只限於金屬?過渡金屬硫族化合物方面有咩突破?

納米材料相工程嘅適用範圍遠超貴金屬,過渡金屬硫族化合物(TMDs,如MoS₂、WS₂)係另一主戰場。2021年,張華團隊同合作者喺《自然材料》(Nature Materials,DOI:10.1038/s41563-021-00971-y)發表關於1T'相TMDs普適合成方法嘅研究^※,第一作者包括Zhuangchai Lai、Qiyuan He等人。

該工作建立咗一種能夠合成高純度1T'相嘅普適方法,成功製備WS₂、WSe₂、MoS₂、MoSe₂及其合金嘅1T'相材料。關鍵發現:1T'-WS₂呈現出厚度依賴嘅超導性——喺90.1 nm厚度下超導轉變温度Tc達8.6 K,而喺單層極限下降至5.7 K,呢種行為嚟自1T'相嘅超高本徵載流子濃度同半金屬特性。所有合成嘅1T'相材料都可以通過熱退火轉變返2H相,證明相轉變嘅可逆性同可控性。呢項成果將PEN從貴金屬體系拓展到半導體同超導材料領域。

2024年,張華團隊喺《國家科學評論》(National Science Review 11(9):nwae289,DOI:10.1093/nsr/nwae289)發表視角文章^※,系統梳理PEN喺貴金屬及TMDs體系嘅進展,並指出三大關鍵挑戰:非常規相形成機制仍依賴經驗、亞穩相嘅應用穩定性、AI輔助嘅規模化製備。

# 張華喺城大攞到咗邊啲學術榮譽同科研認可?

張華主要榮譽匯總如下:

據官方資料^※,張華仲擔任SmartMat期刊聯合主編、《化學評論》(Chemical Reviews)同《自然材料》(Nature Materials)等逾20本權威期刊編委或顧問編委。其Google Scholar H指數已達202、引用逾17萬次^※(截至2026年上半年),喺全球納米材料領域學者中位居前列。

2024年11月20–22日^※,城大香港潔淨能源研究院(HKICE,張華任院長)同Nature合作,喺香港舉辦咗「Nature Conference on Phase Engineering of Nanomaterials 2024」,呢個係PEN領域首個專題Nature Conference,標誌住該研究方向嘅學科建制化。

# 張華嘅研究對城大同香港有咩意義?

張華嘅相工程研究實際影響體現喺兩個層面:其一,催化同能源——2H相PdCuPt喺ORR中超越商業Pt/C約19.2倍,1T'相TMDs高本徵電導率令其成為析氫(HER)電極候選材料;其二,傳感同生物醫學——超薄二維納米片大比表面積喺納米酶同生物傳感中具備結構優勢。據城大學者檔案,張華目前喺HKICE平台主持16個活躍項目^※,覆蓋RGC同創新及科技局(ITF)資助,並喺城大直接指導博士生同博士後逾16人。

# 研究脈絡總結:從二維納米片到相工程體系

將上述成果串聯,可見一條清晰演化路徑:

1. 二維貴金屬納米片(2011–2014):氧化石墨烯模板合成hcp相金納米方片,打破「貴金屬只有fcc相」嘅認知。
2. 4H相金納米帶與外延相穩定(2015):《自然通訊》首報4H-Au納米帶,並以外延生長首次喺Ag、Pd、Pt中穩定4H相。
3. PEN框架建立(2020):《自然評論化學》綜述將「晶相」確立為第六大結構參數。
4. TMDs相工程與超導性(2021):《自然材料》發表1T'-WS₂普適合成,Tc最高8.6 K,將PEN延伸至半導體同量子材料。
5. 催化應用驗證(2021):JACS報告2H相PdCuPt喺ORR中超越商業鉑催化劑19.2倍。
6. 學科建制化(2024):Nature Conference on PEN 2024喺港召開,PEN成為正式研究方向。

來源口徑説明:本文數字均來自公開發表論文或城大官方資料。「H指數191/192/202」因Web of Science同Google Scholar統計口徑及更新時點不同而有差異,均屬不同時點嘅合理數值;引用本文數據時請以各引用口徑嘅更新版本為準。「0.9 V下1.92 A mg⁻¹ ORR質量活性」為鹼性條件實驗室數據,燃料電池實際工程條件下性能受多重因素影響。