28岁教授,35岁杰青,博士期间连发3篇Science,今年再次取得突破

85后正教授—邓鹤翔,相信很多人并不陌生。特别是做MOFs多孔材料的同学,对邓老师的研究成果想必更是如数家珍。然而,有谁知道,邓教授能取得今天的成就并非一帆风顺,期间也经历了不少波折。

Part 1  邓教授的成长经历

邓鹤翔教授于1985年4月出生于湖北武汉,中学就读于武汉49中。中学时期便崭露头角,成为学校的风云人物。时至今日,在武汉49中乃至该校所在的武汉市青山区,“邓鹤翔”都是个如雷贯耳的名字。2003年,还在念高三的他,获得了中国高中生化学竞赛全国一等奖、奥林匹克化学竞赛全国决赛二等奖,顺利取得了复旦大学的保送资格。

随后,邓鹤翔教授保送进复旦大学化学系,也成了学校理科基地班的学生。本科期间,邓鹤翔一直拼劲十足,利用假期阅读文献、在实验室做实验,不回家成了他的常态。邓鹤翔念大一时,赵东元院士是理科基地班公共课《普通化学》的授课老师。上课时,邓鹤翔喜欢提问和发表自己的观点,给老师留下了比较深的印象。大一学期结束前,他主动去办公室找了赵东元院士,表达自己希望进实验室学习的愿望。虽然本科课业繁重,能够去实验室的时间有限,但邓鹤翔却在实验室花了大量时间学习。除了做实验,他还阅读了很多文献,常常请系里的教授为他推荐书目和论文。组里的同学回忆说,当时在每周的组会上,邓鹤翔总是能条理清晰地表述哪些文献为什么值得一读、如何设计实验,“他还特别关注国际最前沿的科学研究情况,相关领域哪些人正在做什么研究、获得了怎样的成果”。本科毕业前,邓鹤翔便与系里的研究生合作,发表了两篇SCI论文,其中一篇发表在《Biomaterials》上。

博士期间三篇正刊

2007-2008年,邓鹤翔教授本科毕业后以 “visiting student”的身份赴美国休斯顿大学化学系进修。由于休斯顿大学化学系在国际上的排名在200位左右,算不上是一流院系。邓鹤翔教授内心十分不甘,于是一边就读,一边请国内导师帮忙写推荐信,最终如愿去了加州大学洛杉矶分校Omar M. Yaghi教授组里攻读博士学位。Yaghi教授是世界著名的化学家和材料领域的领军人物,是MOFs、COFs、ZIFs等领域的开拓者和奠基人。邓鹤翔教授博士的研究课题便是MOFs。那段时间,邓鹤翔教授成长迅速,不到两年便发了人生中的第一篇《Science》。 自此之后,邓鹤翔教授的科研如同“开挂”一般,成果迭出,2010-2013年期间,陆续发表了第二篇、第三篇《Science》。博士期间,三篇正刊,这样丰硕的成果让国内外很多科研人员都为之瞋目结舌。

之后的经历,便为大家所知的那样。邓鹤翔教授博士毕业后回国,直接被聘为武汉大学化学与分子科学学院教授,成为当时最年轻的85后正教授,轰动一时。回国后邓老师一直耕耘在MOFs领域。在他回国工作的这几年里,邓老师课题组的特点是只重质量,不注重产量。虽然初期课题组的论文不是很多,但是质量都很高。厚积薄发,两年后(2015年)一篇《Nature》横空出世。

今年是邓鹤翔教授回国工作的第七年,七年来课题组相继在Science, Nature, Nat. Chem., Nat. Commun., JACS, Angew等国际顶级期刊发表论文四十余篇。特别是今年九月份,邓教授课题组关于人工光合作用的最新研究成果再次荣登《Nature》,获得国内外同行高度关注和评价。

Part2经典工作回顾

下面就请各位读者大大,跟小编一起回顾邓教授那些年在《Science》、《Nature》上发表的经典工作。

1、2010年 Science: 多种有机配体混合,赋予单一MOF多个功能

28岁教授,35岁杰青,博士期间连发3篇Science,今年再次取得突破

由于MOFs中有机配体单元不会紧密堆积在晶格的其他部分,因此有可能将作为同一母体化合物衍生的多个配体与相同的端基混合,从而赋予所获得的MOFs多个功能。鉴于此,邓鹤翔教授等人以无规方式混合1,4-苯二甲酸及其衍生的8种配体,制成了复杂的18元锌基MOF-5。虽然这些结构的骨架(氧化锌和亚苯基单元)是有序的,但官能团的分布是无序的,从而赋予MOF-5同一相中最少包含八种不同的功能。此外,这种混合对孔隙率和吸收特性的影响是非线性的。研究发现,与单一配体相比,无序混合生成的MTV-MOF-5-EHI对CO中CO2的选择性高出400%。该成果以“Multiple Functional Groups of Varying Ratios in Metal-Organic Frameworks”为题发表在《Science》上,邓鹤翔教授为文章的第一作者。

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论文连接:

https://science.sciencemag.org/content/327/5967/846

 

2、2012 年Science: MOFs孔径的重大突破—-最高可达98 Å!

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多孔晶体的孔径决定了可能进入孔的分子的大小,而制造孔径大小适合于有机、无机和生物大分子的晶体一直是一项巨大的挑战。目前,已报道的MOFs最大内部孔径为47Å。原则上,在MOF的合成中应该使用更长的配体,以便提供更大的孔。但这通常会产生互穿结构,从而限制孔的大小,或者会导致框架很脆甚至崩塌。为了应对这一挑战,邓鹤翔教授等人开发了一种将有机配体与金属原子形成二级构建单元的策略。通过逐步增加MOF设计中使用的有机键中原子数,将著名的MOF结构MOF-74的孔径扩大到以前无法实现的尺寸范围。 具体来说,是将著名的MOF-MOF-74系统从其最初的一个亚苯基环(I)扩链为两个,三个,四个,五个,六个,七个,九个和十一个(II至XI), 分别得到等孔系列的MOF-74结构(称为IRMOF-74-I至XI),孔径范围为14至98 Å。 该系列的MOFs均具有非互穿结构,并且他们的结构十分坚固。 经过低聚乙二醇官能化的IRMOF-74-VII和IRMOF-74-IX的孔孔径足够大大到能让天然蛋白质进入孔中。该研究成果以“Large-Pore Apertures in a Series of Metal-Organic Frameworks”,为题发表在《Science》上,其中邓鹤翔教授和美国西北大学Sergio Grunder为文章的共同第一作者。

28岁教授,35岁杰青,博士期间连发3篇Science,今年再次取得突破

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/336/6084/1018

 

3、2013 年Science: MOFs中官能团的空间分布表征

28岁教授,35岁杰青,博士期间连发3篇Science,今年再次取得突破

在MOFs分子中,无机中心(金属原子或簇)通过二齿有机基团连接。通常,在整个结构中会使用相同的基团,但是最近,带有不同官能团的有机配体也成功用于精确有序的MOFs的合成。然而,这些官能团的分布情况如何,一直是个未知的状态。鉴于此,邓鹤翔教授等人提出了一种表征方法,即使用固态核磁共振测量与分子模拟相结合的方式,以绘制这些官能团在这些材料中的分布情况。研究表明,这些方法可以区分官能团分配的随机(EF),交替(EI和EHI)和各种簇(BF)形式,并成功确定了一系列多元金属-有机框架(MTV-MOF-5)中的官能团的空间分配情况,从而可预测晶体MTV-MOF的吸附性能。此外,该方法是在有序框架的背景下开发的,为解决其他有序材料(包括介孔材料,功能化聚合物和结晶固体中缺陷分布)中普遍的空间混乱问题迈出了坚实的第一步。该成果以“Mapping of Functional Groups in Metal-Organic Frameworks”为题发表在《Science》上,加州大学Qianxue Kong, 邓鹤翔以及Fangyong Yan为文章的共同第一作者。

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论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/341/6148/882

 

4、2015 Nature:  金属有机骨架中的额外吸附和吸附物超晶格形成

28岁教授,35岁杰青,博士期间连发3篇Science,今年再次取得突破

金属有机骨架(MOFs)被广泛用于涉及吸附的应用,例如氢气,甲烷或二氧化碳的存储。吸附过程的选择性和吸收能力由涉及被吸附物及其多孔基质材料的相互作用决定。但是,尽管吸附剂分子与内部MOF表面以及它们之间在单个孔中的相互作用已得到了广泛的研究,但跨孔壁的吸附剂-吸附剂分子相互作用尚不清楚。鉴于此,武汉大学邓鹤翔教授团队使用小角X射线衍射来原位跟踪和绘制整个吸附-解吸等温线,以观察中孔MOF-74系列五个成员中被吸附分子的分布和顺序,并首次揭示了小分子在限域空间中的有序自发聚集行为。研究发现,不同孔道中的分子能够通过与具有原子厚度的MOF孔壁相互作用,与周围孔道中的分子进行“沟通”,从而形成跨孔道的不均匀分布,这种不均匀分布导致了额外气体吸附区域的产生以及气体分子的超晶格有序排列。该成果以“Extra adsorption and adsorbate superlattice formation in metal-organic frameworks”为题,发表在《Nature》上,其中韩国科技大学Hae Sung ChoKeiichi Miyasaka以及武汉大学邓鹤翔教授为文章的共同第一作者。

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论文链接:

https://www.nature.com/articles/nature15734

 

5、2020年 Nature: 二氧化钛在金属有机框架中介孔的填充及二氧化碳光还原

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通过人工光合作用将二氧化碳还原成有利用价值的化学产品,不仅能够为能源危机提供新的解决方案,而且能够有效减少生态环境中二氧化碳的含量。然而,目前人工直接光还原二氧化碳的效率在全光谱下仅有0.5-5%,远低于植物,且往往需要牺牲剂的辅助。鉴于此,邓鹤翔教授课题组从材料的合成角度出发,设计了一种介观尺度上(2-50纳米),TiO2和MOF孔道界面的分子定制。此分子定制界面的构筑类似于叶绿体中光催化基元的局域化,能够实现二氧化钛纳米颗粒化学环境的精准定制,从而实现了单波长光驱动下CO2还原11.3%的表观量子产率,并观察到等当量O2的释放。该研究以“Filling metal–organic framework mesopores with TiO2 for COphotoreduction”为题发表在《Nature》上,武汉大学江卓和徐晓晖博士为共同第一作者,武汉大学邓鹤翔教授、Ling Zan教授和上海科技大学Osamu Terasaki教授为共同通讯作者(详细解读:武汉大学邓鹤翔再发《Nature》:“分子隔间”让MOF材料对CO2光催化还原AQE跃升至11.3%)。

28岁教授,35岁杰青,博士期间连发3篇Science,今年再次取得突破

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2738-2

除了上述关于MOF构筑和吸附研究工作,邓鹤翔教授课题组在MOFs用于光催化产氢(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 5326-5331)、储能(Adv. Energy Mater., 2019, 10, 1903186;Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 3916–3921)、激光打印金属纳米微晶芯片(J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 5481-5489)、可控药物释放(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 40, 14209-14216)、快速尿检纳米试纸(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 130, 7238-7243)、对DNA负载以及免疫细胞转染(Nat. Commun., 2018, 9, 1293)等领域均有涉猎。由于篇幅所限,小编在此不一一介绍,感兴趣的读者可移步邓教授课题组网页细览。

 

邓鹤翔教授课题组网页:

http://hdeng.whu.edu.cn/

28岁教授,35岁杰青,博士期间连发3篇Science,今年再次取得突破

Part 3  邓鹤翔教授简介

28岁教授,35岁杰青,博士期间连发3篇Science,今年再次取得突破

邓鹤翔,男,1985年4月生,湖北武汉人,博士,现任武汉大学化学与分子科学学院教授,国家青年人才计划入选者(2012年)。2007年在复旦大学取得学士学位,早期在赵东元院士课题组从事介孔材料研究。2011年在加州大学洛杉矶分校(UCLA)取得化学博士学位,导师为MOFs、COFs开拓者Omar Yaghi教授,研究方向为晶态纳米孔材料MOFs的系统性设计与合成,同年获得国家优秀自费留学生奖学金。2012至2013年先后在加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室(LBNL)从事博士后研究工作。2013年初加入武汉大学化学与分子科学学院,任青年学科带头人。2020年8月,入选2020年度国家杰出青年科学基金建议资助,现为武汉大学化学与分子科学学院教授。

研究方向为有机、无机分子的导向性组装;绿色多孔材料;绿色储能纳米材料;以及固体纳米材料在气体储存与分离、节能减排、选择性催化等方面的应用。目前已在孔材料的同拓扑结构孔道扩展、孔径及孔环境系统性精确调控方面取得一系列进展,在多组分合成策略以及生物大分子负载等方面进行了前瞻性探索。曾在Science、Nature Chemistry等著名国际期刊上发表多篇论文,研究成果被Nature Chemistry, Cundefinedamp; EN, Science Daily, Asian News International, Nanotechnology Now 等媒体报道。申请专利16项,其中已被授权9项。美国化学协会会员Member, American Chemical Society (ACS),美国多功能纳米构建中心会员Member, the center on Functional Engineered Nano Architectonics (FENA),伯克利中国能源论坛(Berkeley China Energy Forum)创始人之一。

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