国科大张夏衡团队登Nature破解芳香胺百年难题！颠覆了140年来的传统工艺

导读

11月27日，国科大杭高院张夏衡研究员团队在Nature发文， 突破性提出了一种借助N-硝胺实现直接脱氨官能团化的全新方法， 颠覆了工业领域140年来沿用的传统工艺 ；南京大学谭海仁教授课题组团队再次在Nature发文， 钙钛矿叠层电池世界纪录效率再次被打破， 多晶薄膜太阳能电池首次实现超过30%的效率 ！

1、登上顶刊Nature！杭高院团队破解芳香胺百年应用难题

11月27日，国际顶尖期刊《Nature》发表了国科大杭州高等研究院（以下简称“杭高院”）化学与材料科学学院（以下简称“化材学院”）张夏衡研究员团队最新成果—— “Direct deaminative functionalization with N-nitroamines”。该成果受到《Nature》期刊四位主审稿人的高度评价，作为审稿人之一的国际制药巨头辉瑞公司高级研发总监Scott Bagley给予评价：“true tour de force（法语：真正的杰作）”。

该团队刊登成果突破性提出了一种借助N-硝胺实现直接脱氨官能团化的全新方法，能够高效地将惰性芳香族碳-氮键直接转化为多种重要化学键（包括碳-卤素键、碳-氧键、碳-氮键及碳-碳键等）。该方案仅需使用实验室中常见普通的试剂，即能高效实现目标产物公斤级的规模化合成，颠覆了工业领域140年来沿用的传统工艺，为传统上广泛使用却因易爆性和高风险而受限的芳基重氮化学提供了一种安全、经济的新方案，有望在制药、材料制造等多个重要领域获得广泛应用。

研究内容

芳香胺作为生物活性分子里极为常见的官能团之一，广泛存在于药物、天然产物以及农药等多种化合物结构之中。尽管其在分子构建中扮演着重要的结构基石角色，然而将其用作合成砌块的研究进展却相对滞后，尚未得到充分开发。在过去的一个多世纪里，工业领域通常先将芳香胺转化为名为“重氮盐”的中间体，进而利用重氮化合物的高反应活性开展后续转化。该分步策略存在诸多弊端，如重氮盐稳定性差、具有爆炸危险性，基于芳基重氮盐的工艺还面临化学计量级铜消耗大、底物兼容性受限等问题。

图1芳香胺的直接脱氨官能团化反应

张夏衡研究员团队面向绿色药物合成方法和工艺开发、活性分子精准修饰等生物医药前沿领域，在国际权威期刊Nature，Nature Chemistry，Nature Communications，Science Advances等发表多篇重要学术论文，为活性分子的绿色、可持续高效合成和精准修饰提供了有力支撑。为攻克这些难题，张夏衡团队历经三年时间，一直致力于寻找芳胺直接活化路径，最终，成功运用实验室常见且廉价的化学试剂开发出全新的直接脱氨官能团化技术：

张夏衡研究团队

该研究利用芳香胺在硝酸介导下原位形成N-硝胺中间体，随后通过脱除一氧化二氮（N₂O），实现芳香C‑N键向多种C‑X键（包括C−Br, C−Cl, C−I, C−F, C−N, C−S, C−Se与C−O）以及C‑C键的高效直接转化。与经典的Sandmeyer反应条件相比，新方法在药物合成中常用的多氮杂环体系里展现出显著优势；与其他脱氨官能化方法相比，此策略的核心优势在于仅凭实验室极易获取的简单试剂，就实现了出色的通用性：几乎适用于所有类型的药用杂芳胺及电性、结构各异的苯胺衍生物，不受氨基位置限制，并且能够以简易操作实现公斤级的规模化生产。

此外，为进一步提高操作便捷性，该研究还开发了一锅法脱氨交叉偶联策略。只需在脱氨反应中间体中直接加入相应的偶联试剂，即可在同一反应体系中完成多种交叉偶联反应，包括Negishi偶联、还原交叉偶联、Ullmann-Ma反应、Buchwald-Hartwig反应、金属光氧化还原催化、Hirao反应及磺酰化反应等。为从易得原料快速构建复杂分子开辟了新途径，对药物化学领域的研发工作具有重要推动作用。

图2脱氨官能团化的底物适用范围

研究发展

该研究标志着杭高院在化学材料研究领域又一次取得突破性成果。近年来，杭高院在“物理光电”“生命健康”“智能科技”和“生态环境”四大领域实施“一核两翼”发展战略，旨在面向世界科技前沿和国家发展需要，大力引进国内外高层次师资队伍，培育高水平科技领军人才。建设有“引力波宇宙太极实验室(杭州)”“中国科学院系统生物学重点实验室”“全省新污染物环境与健康重点实验室”“全省糖类药物重点实验室”等多个省部级重点实验平台，获批国家级博士后工作站具有独立招收资格，累计引进教学科研人员731人，其中国家级人才235人、省市级人才259人。

风劲扬帆正当时，杭高院秉承“两弹一星”科学家精神，勇攀科技高峰。以杭高院为第一署名单位发表在Nature、Cell等Top期刊的论文371篇。登上Cell的成果“成体肺脏中新生肺泡上皮干细胞的再生起源”入选2024年度“浙江十大科技事件”；参与攻关研制的空间窄线宽激光器和空间飞秒光梳随“梦天舱”一同升空，建立世界上第一套空间冷原子钟组；成功接受落户浙江首份“嫦娥五号”月壤，稳步推进相关载荷研究及验证试验；牵头承担研制巴基斯坦遥感卫星02星主载荷，载荷成功在轨开机成像，系列成果为科技强国建设贡献科技“硬作为”。

文章信息

杭高院化材学院博士后屠广亮、研究生肖可、副研究员陈小平和中国科学院上海有机所研究生许浩然为文章共同第一作者。该研究项目实验部分由张夏衡团队完成，机理计算部分由杭高院/中国科学院上海有机所薛小松研究员团队完成。张夏衡研究员和薛小松研究员为该论文通讯作者，杭高院为该论文的第一署名和通讯单位。此项科研工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、杭州市和杭高院研究项目等经费的支持。

Tu, G., Xiao, K., Chen, X., Xu, H., Zeng, H., Zhang, F., Xue, X.,* Zhang, X.* Direct deaminative functionalization with N-nitroamines. Nature.

DOI: 10.1038/s41586-025-09791-5 (2025).

2、屡破纪录+连发Nature！南大团队在全钙钛矿叠层电池领域再获重大进展

“双碳”目标是我国作出的重大战略决策，发展清洁低成本的太阳能光伏发电，是实现这一战略目标的重要途径与技术保障。通过串联宽/窄带隙钙钛矿子电池构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池，兼备高效率和低成本等优点，是下一代光伏技术的重要发展方向。

南京大学林仁兴助理教授、谭海仁教授课题组长期从事新型太阳能电池的研究，致力于将国家能源重大需求与基础应用研究相结合；近年来，团队围绕“全钙钛矿叠层太阳能电池”这一国际前沿科学领域开展了系统深入的研究，研制的钙钛矿叠层电池世界纪录效率连续12次被国际权威的Solar cell efficiency tables收录。

近期，团队在全钙钛矿叠层电池领域取得最新进展，经日本电气安全和环境技术实验室（JET）国际权威认证的转换效率高达30.1%，这是多晶薄膜太阳能电池首次实现超过30%的效率，该结果被收录到Solar cell efficiency tables（Version 66）。2025年10月28日，相关研究成果“All-perovskite tandem solar cells with dipolar passivation”以快速预览形式在线发表于Nature主刊。

研究背景

目前全钙钛矿叠层电池的效率主要受限于较小的开路电压和填充因子，其中铅-锡混合窄带隙钙钛矿电池在高短路电流密度输出的条件下，无法同时实现较高的开路电压和填充因子，这是限制全钙钛矿叠层电池效率的主要原因。铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜底部界面存在较高的缺陷态密度，造成了高缺陷态密度的界面层与空穴传输层之间严重的非辐射复合损失。常用的长链胺盐钝化剂可用于减少铅-锡混合钙钛矿的界面缺陷。

然而，此类长链胺盐的分子尺寸大、导电性差，易于界面处形成绝缘屏障，阻碍光生载流子在界面处的输运，最终导致太阳能电池的短路电流密度和填充因子降低。

研究成果概况

为解决上述瓶颈，研究团队在钙钛矿/空穴传输层界面处设计了一种正偶极取向的偶极钝化层。正偶极钝化层能有效调节钙钛矿和空穴传输层的能级，能使钙钛矿/空穴传输层间形成有利的Type-II型能级排列。这种能级排列可有效驱动电子远离界面，同时增强界面处的空穴抽取能力，实现了载流子非辐射复合的减少和载流子输运的增强。然而，偶极钝化层在后续加工中易被破坏，偶极取向难以被精准调控，严重影响了偶极钝化的作用和器件的光伏性能。

研究团队探明了钙钛矿与空穴传输层的组成及缺陷类型，针对性开发了基于短链刚性芳香苯环的偶极钝化分子——对氨基苯磺酸（SA，图1a）。通过设计芳香苯环两端连接的特异性官能团，实现带正电的-NH3+基团与钙钛矿A位缺陷的优先锚定，而带负电的-SO3-基团倾向于与空穴传输层锚定，精确构建出了取向可控的正偶极钝化层（图1b-c）。此外，-SO3-基团与PEDOT:PSS的强锚定能力，实现了偶极层的加工耐受性，而短链芳香苯环的刚性保证了偶极钝化分子不易弯曲，进一步实现了偶极取向的可控性。

研究团队进一步使用紫外光电子能谱（UPS）来评估偶极钝化的作用：经过偶极钝化的铅锡钙钛矿与PEDOT:PSS空穴传输层间形成Type-II型能带异质结结构（见图1d-f）。经过费米能级平衡和能带弯曲后，在界面处形成了从PEDOT:PSS指向钙钛矿方向的电场（场钝化）。在该电场作用下，铅锡钙钛矿的能带向下弯曲，能够驱使光生电子远离（见图1f红色箭头）铅-锡钙钛矿埋底界面，并加速光生空穴向空穴传输层（PEDOT:PSS）的漂移（见图1f蓝色箭头），从而减少了载流子在缺陷层处的非辐射复合损失。

图1. 偶极钝化铅锡混合钙钛矿太阳能电池的器件结构和能级图。a, 对氨基苯磺酸(SA)偶极钝化分子的结构和电势图。b, 铅锡钙钛矿/空穴传输层界面偶极钝化示意图。c, 偶极钝化前后钙钛矿底部界面的电势变化图。d, 偶极钝化前后铅锡钙钛矿太阳能电池各功能层的能级排列。e-f, 能带弯曲后的Control和偶极钝化铅锡钙钛矿太阳能电池的能级图；红色和蓝色箭头分别表示非辐射复合路径和载流子漂移扩散方向。

为了进一步探究偶极钝化对铅锡钙钛矿性能的影响，团队对光生载流子的动力学进行了细致的表征分析。经过偶极钝化的铅锡钙钛矿展现了更低的非辐射复合（图2a）和更快的载流子输运特性（图2b），这与UPS的测试结果一致（图1e-f）。飞秒光泵-太赫兹辐射探测光谱结果表明，经偶极钝化处理的钙钛矿薄膜中总载流子迁移率从67.5cm²V⁻¹s⁻¹提升至113.5cm²V⁻¹s⁻¹，载流子扩散长度从4.8μm显著延长至6.2μm（图2c）。同时，电致发光及光致发光量子产率测试表明偶极钝化处理的钙钛矿与空穴传输层接触界面的开压损失显著降低，主要得益于该界面处的非辐射复合损失减少（图2d-f），说明偶极钝化层有效屏蔽了埋底缺陷层对铅锡窄带隙钙钛矿太阳电池性能的影响。

图2. 偶极钝化铅锡混合钙钛矿载流子动力学的影响。a-b, 偶极钝化前后的稳态PL(a)和TRPL(b)曲线。c, 飞秒光泵-太赫兹辐射探测的光生载流子和迁移率的变化。d-e, 偶极钝化前后铅锡钙钛矿ELQY曲线及其开路电压损失。f, PLQY测试偶极钝化前后铅锡钙钛矿器件不同功能层导致的开压损失。

基于偶极钝化的铅锡钙钛矿单结器件展现了优异的光电性能，该策略显著提升了电池的开路电压、填充因子和光电转换效率（图3a-b），其平均光电转换效率达到23.4±0.5%（图3c）。最佳性能的窄带隙钙钛矿电池光电转换效率达到了24.9%（图1d-e），为目前报道的最高效率。

图3. 偶极钝化铅锡钙钛矿太阳能电池的光伏性能。a, 偶极钝化铅锡钙钛矿太阳能电池结构图。b, Control和偶极钝化铅锡钙钛矿太阳能电池的光伏特性能统计图。c, 偶极钝化铅锡钙钛矿太阳能电池的PCE统计图。d, e 最佳性能的偶极钝化铅锡钙钛矿电池的J-V曲线和EQE曲线。

结合以上研究和器件设计的思路，本研究将偶极钝化的窄带隙子电池与高效的宽带隙子电池结合，构筑了高性能的全钙钛矿叠层太阳能电池（见图4a）。偶极钝化有效地提升了全钙钛矿叠层电池的开路电压、填充因子以及转换效率（见图4b）。实验室自测效率从29.5%提高到30.6%（见图4c-e）。经日本电气安全和环境技术实验室（JET）国际权威认证，基于偶极钝化策略制备的全钙钛矿叠层太阳能电池的转换效率高达30.1%，这是多晶薄膜太阳能电池首次实现超过30%的效率，该结果被收录到Solar cell efficiency tables（Version 66）。

图4. 偶极钝化全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能。a, 偶极钝化全钙钛矿叠层太阳能电池结构图。b, Control和偶极钝化全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏特性能统计图。c, 偶极钝化全钙钛矿叠层太阳能电池的PCE统计图。d, e 最佳性能的偶极钝化全钙钛矿叠层电池的J-V曲线和EQE曲线。

论文信息

南京大学为该文的第一作者单位和第一通讯单位，南京大学助理教授林仁兴、博士后高寒和军事科学院国防科技创新研究院助理研究员娄菁为论文共同第一作者；南京大学现代工学院林仁兴助理教授、谭海仁教授，军事科学院国防科技创新研究院常超研究员和北京理工大学徐健教授为共同通讯作者。

本研究工作得到了中科院苏州纳米所马昌期研究员、陈琪研究员，南京大学功能材料与智能制造研究院李永玺副教授和澳大利亚国立大学Daniel H. Macdonald教授的指导与支持；其也得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部前沿科学中心、江苏省自然科学基金等项目的资助；此外，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环教育部前沿科学中心、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理科学研究中心和江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室对该项研究工作也给予了重要支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09773-7

来源：国科大杭州高等研究院、南京大学