張華與二維納米材料相工程——城大化學的貴金屬納米片前沿

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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的非常規晶相可控合成為核心,截至2026年在CityUHK學者檔案中顯示逾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^※,並於2024年獲中銀香港科技創新獎新材料與新能源類^※。

# 張華是誰?他為何選擇城大?

張華(Hua Zhang),1992年、1995年先後在南京大學獲本科與碩士學位,1998年於北京大學劉忠範院士門下取得博士學位^※。博士後階段先後就職於比利時魯汶大學與美國西北大學,此後在NanoInk Inc.及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與香港潔淨能源研究院院長(Director of HKICE)。

南洋理工時期奠定的「超薄二維納米材料」與「貴金屬非常規晶相」兩條研究線,隨張華本人整體遷入城大,並在新平台上進一步系統化為「納米材料相工程」這一正式概念框架。城大化學系提供的學科交叉環境——化學合成、材料表徵與潔淨能源應用一體推進——是他選擇城大的重要背景。

# 什麼是「納米材料相工程」?這個概念解決什麼問題?

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,但忽略了晶相本身作為獨立變量的作用。張華提出的「納米材料相工程(PEN)」將晶相確立為決定材料性能的第六大結構參數:不同晶相的相同成分納米材料,可在催化活性、光學響應、電子結構、超導行為等方面展現截然不同乃至全新的特性。

2020年5月,張華等人在《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:「納米材料中那些塊體狀態下無法獲得的非常規晶相,可能賦予其引人入勝的性質與創新應用」,至今Scopus引用逾723次^※。這篇綜述將分散於不同材料體系的相變研究統一在同一框架下,是「PEN」作為學科方向的奠基文獻。

# 城大團隊如何合成具有非常規晶相的貴金屬納米片?

貴金屬(金、鉑、鈀等)在自然界中幾乎全部以面心立方(fcc)相穩定存在,這是體材料的熱力學基態。而張華團隊在納米尺度上突破了這一限制,率先實現了多種貴金屬的非常規晶相可控合成,主要有兩類里程碑成果。

# 第一類:hcp相金納米方片的首次合成

利用氧化石墨烯(GO)薄片作為模板,張華課題組(當時在南洋理工)首次報告了具有非常規六方密堆相(hcp,即2H型)的金納米方片(Au square sheets)的原位合成。這批納米方片邊長約200–500 nm、厚度約2.4 nm(約合16個Au原子層),hcp結構由第一性原理與分子動力學計算證實源於非常規結構本身與強表面效應的協同作用。後續研究進一步表明,通過表面配體交換可在室温下實現從hcp相到fcc相的完全相轉變^※,發表於《自然通訊》(Nature Communications,2015年)——證明這種相轉變是由表面化學觸發的。

# 第二類:4H六方相金納米帶的高產率合成

2015年,張華團隊在《自然通訊》(Nature Communications,6:7684,DOI:10.1038/ncomms8684)發表「Stabilization of 4H hexagonal phase in gold nanoribbons」^※。該研究實現了具有「ABCB」堆垛序列的4H六方多型體金納米帶的高產率合成: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的低對稱性帶來各向異性光學特性——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),與常規fcc金截然不同。更重要的是,研究以4H-Au納米帶為模板,通過直接外延生長首次實現了銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)的4H六方相穩定化,開闢了晶相控制合成多元貴金屬納米材料的新路徑。

下表彙總兩類里程碑成果的核心參數:

# 相工程如何提升催化性能?以Pd合金氧還原為例

非常規晶相不只是結構新奇,更直接決定催化活性。城大張華團隊於2021年在《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)的雙金屬PdCu與三金屬PdCuPt合金納米催化劑。關鍵測試數據:在鹼性條件下的電化學氧還原反應(ORR)中,2H相PdCuPt三元合金在0.9 V下的質量活性達到1.92 A mg⁻¹(Pd+Pt),這一數值分別超越商業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與活性的核心維度。

# 相工程是否只限於金屬?過渡金屬硫族化合物方面有何突破?

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

該工作建立了一種能夠合成高純度1T'相的普適方法,成功製備WS₂、WSe₂、MoS₂、MoSe₂及其合金的1T'相材料。關鍵發現:1T'-WS₂呈現出厚度依賴的超導性——在90.1 nm厚度下超導轉變温度Tc達8.6 K,而在單層極限下降至5.7 K,這種行為來源於1T'相的超高本徵載流子濃度與半金屬特性。所有合成的1T'相材料均可通過熱退火轉變回2H相,證明相轉變的可逆性與可控性。這一成果將PEN從貴金屬體系拓展至半導體與超導材料領域。

2024年,張華團隊在《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在貴金屬及TMDs體系的進展,並指出三大關鍵挑戰:非常規相形成機制仍依賴經驗、亞穩相的應用穩定性、AI輔助的規模化製備。

# 張華在城大取得了哪些學術榮譽與科研認可?

張華主要榮譽彙總如下:

據官方資料^※,張華還擔任SmartMat期刊聯合主編、《化學評論》(Chemical Reviews)與《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),在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)與Nature合作,在香港舉辦了「Nature Conference on Phase Engineering of Nanomaterials 2024」,這是PEN領域首個專題Nature Conference,標誌着該研究方向的學科建制化。

# 張華的研究對城大及香港有何意義?

張華的相工程研究實際影響體現在兩個層面:其一,催化與能源——2H相PdCuPt在ORR中超越商業Pt/C約19.2倍,1T'相TMDs高本徵電導率使其成為析氫(HER)電極候選材料;其二,傳感與生物醫學——超薄二維納米片大比表面積在納米酶與生物傳感中具備結構優勢。據城大學者檔案,張華目前在HKICE平台主持16個活躍項目^※,覆蓋RGC與創新及科技局(ITF)資助,並在城大直接指導博士生及博士後逾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」的認知。
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,並以外延生長首次在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延伸至半導體與量子材料。
5. 催化應用驗證(2021):JACS報告2H相PdCuPt在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在港召開,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與Google Scholar統計口徑及更新時點不同而有差異,均屬不同時點的合理數值;引用本文數據時請以各引用口徑的更新版本為準。「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。