——记香港城市大学材料科学及工程学系教授张其春

张方方  户 万

　　2020年9月，香港城市大学材料科学及工程学系迎来了一位新成员——从南洋理工大学归来的张其春教授。长期以来，他专注于创制新型有机功能材料，主要包括富碳有机共轭材料、新概念晶态聚合物和共价有机框架材料。

　　“这些材料因其独特的结构，能够高效地传导电子、储存能量或催化化学反应。而我要做的就是进行分子设计和功能创造。”在张其春看来，他就像一位“分子建筑师”，通过精确的化学合成，用原子和分子“砖块”搭建出具有特定功能的“分子大厦”。

水到渠成，探寻科研之趣

　　“我从事科研的决心，并非在某一特定时刻突然确立，而是一个水到渠成的过程。”张其春说。他是一个对物质世界的构成与变化规律充满好奇的人，而化学作为一门可以在分子和原子层面上创造新物质、新变化的中心学科，对他的吸引力是巨大的。

　　1988年，张其春考入南京大学，一脚踏进化学之门。1998年，拿到中国科学院化学研究所硕士学位后，他继续赴美深造，先后在加州大学洛杉矶分校、河滨分校就读，并获得硕士和博士学位。近20年求学路，张其春不仅打下了坚实而全面的基础，也深刻认识到，将有机化学的分子设计能力与无机材料的丰富性能相结合，能够创造出功能迥异的新材料，从而突破单一学科难以应对的瓶颈，为能源、环境等人类面临的重大挑战提供新的解决方案。“意识到这一点后，这份事业便从个人兴趣升华成了一份沉甸甸的责任感。从此，在科研道路上坚定地走下去，便成了我唯一且自然的选择。”他诚恳说道。

　　2009年，结束了在美国西北大学为期15个月的博士后工作后，张其春受聘于新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院，而在这一平台上，他的研究也得到了深入发展。围绕有机共轭材料的精准合成与多功能化研究，他设计合成了一系列新型共轭多苯并芳环化合物，解析了其单晶结构，创下了最长氮杂并苯（20）单晶的世界纪录，并进一步探索了它们在光电、储能和传感等方面的应用。在发展新概念晶体材料方面，他和团队在国际上较早开展了无机-有机聚合物的复合单晶材料、共价有机框架和有机共晶材料的研究，并率先报道了有机共晶材料的各向异性磁电耦合行为、自修复特性，以及基于单一聚合物的全有机锂离子电池等。不仅如此，他一方面利用表面活性剂调控无机单晶生长，将细菌用导电聚合物包裹以提升微生物燃料电池效率，为推动纳米结构可控组装与性能调控研究作出了贡献；另一方面，还对有机纳米晶及有机-无机纳米晶之间的反应进行了深入研究。相关工作发表于《自然·通讯》《美国化学会志》《德国应用化学》等顶级期刊。

　　“在新加坡这10年，恰逢有机共轭功能材料与纳米科技快速兴起和发展，为我提供了广阔的探索空间。”如其所言，这是张其春科研事业蓬勃发展的10年。他的工作也受到国际学术界高度认可，受聘为《固态化学》副主编、《材料化学C》《材料化学前沿》《无机化学前沿》《亚洲化学》等期刊顾问委员会成员、《材料进展》编委会成员等；2017年，他当选为英国化学学会会士；2018年起，他又连续登上科睿唯安全球高被引科学家榜单。但对他而言，外在光环始终抵不过在实验室里克服困难、验证猜想后所获得的满足感，也抵不过每次合成一个新分子、发现一个新现象所带来的喜悦。

面向需求，构筑分子大厦

　　“选择加入香港城市大学，是我在学术生涯发展到一定阶段后，经过深思熟虑的战略性规划。我希望在一个更具活力、更能联通内地与国际的平台上，将研究推向新高度。”对张其春来说，这是一个充满挑战但也令人振奋的决定。得益于学校强有力的支持，依托超金刚石及先进薄膜研究中心，他仅用1年便完成了实验室搭建、核心团队组建及研究方向规划，顺利步入正轨。

　　按照张其春的规划，他首要聚焦的便是富碳材料及其在电光器件中的应用研究。在香港城市大学启动基金的专项支持下，他带领团队取得了多项突破。作为一种新兴的晶态多孔材料，共价有机框架（COF）具有高比表面积、可调的孔结构、良好的光吸收能力和可设计的电子结构等优势，但其在大尺寸单晶生长与精确结构解析上也存在重大挑战。传统合成方法往往得到的是微晶粉末，难以获得高质量单晶。张其春团队则通过开发新颖的连接化学合成方式，优化晶体生长条件，成功制备出多种具有明确结构的二维/三维COF大单晶，并率先解析了其精确结构，也为材料家族添丁进口。

　　基于前期积累，张其春希望将成果应用于高性能钠/锂离子电池、光电探测等领域，但如何使新材料在能源存储与转换中实现高性能和高稳定性也是一大挑战。为此，他和团队结合多种原位表征技术和理论计算，深入揭示离子存储机制和结构演化过程，为进一步开发奠定了基础。

　　“开发全有机钠离子电池时，就有很多问题制约其性能，比如有机电极材料的溶解、较低的导电性和充放电过程中的体积变化等。”张其春举例，经过群策群力，他们在COF中引入多重氧化还原活性中心，成功制备出了兼具高容量、高倍率和超长循环寿命的钠离子电池电极材料。而在另一项研究中，他们尝试将COF材料用于锂金属电池负极保护层时，需要精确调控其与锂离子的相互作用及界面稳定性。为了赶走这只拦路虎，他们开发了可溶性COF作为亲锂改性层，有效抑制了枝晶生长，显著提升了电池性能。

　　近年来，张其春团队成果不断涌现。2024年11月，他们在《自然·通讯》发表了关于光催化研究的新进展，开发出一种快速且通用的方法来生长可用于2D/3D共价有机聚合物（COP）的大尺寸单晶（高达500微米）。仅仅两天，他们就通过动态碲-氧-磷（Te-O-P）键的形成收获了3个2D COPs和一个3D COP，并通过单晶X射线衍射分析清楚地揭示了其结构。结果显示，它们在超氧阴离子自由基介导的（芳甲基）胺偶联中显示出优异的催化活性和稳定性（接近100%的选择性和产率）。而2025年6月，他们在《德国应用化学》（国际版）发表论文，将COF材料的有序孔道与聚合物电解质的柔性优势结合，实现了电导率与稳定性的双重突破，为高性能锂金属电池电解质设计提供了纳米级解决方案。他们相信，随着该技术的进一步优化，锂金属电池有望在电动汽车、储能系统等领域释放更大潜力，推动能源存储技术迈向新高度。

　　“这些研究的共同特点是围绕‘材料结构-功能一体化’设计理念，通过跨学科合作推动有机功能材料在能源领域的应用。”张其春表示。到现在，他们已在国际权威期刊发表620多篇论文，被引超4.8万次。基于这些工作，他们率先合成出手性COFs用于检测圆偏振光，并率先利用热处理方法制造出稳定的COF自由基。未来几年，在国家自然科学基金、深圳市科技计划、广东省科技计划等支持下，他们还将继续为高能量密度电池及相关储能技术提供新策略和新路径。同时，他们也希望在聚合物-小分子（有机或无机）超晶格单晶、高分子单晶超导及高分子自旋等方向作出贡献。

凝聚团队，开拓创新之境

　　不知不觉，张其春已在香港城市大学度过了5年。经过这5年的建设和发展，他所带领的团队规模保持在15人左右，不仅拥有在化学、材料科学上具备扎实学术基础的成员，还吸引了来自物理、电子工程、计算科学等不同专业的青年才俊。“这是我们能够在材料设计、性能表征、器件制备及理论模拟等多个环节实现深度融合与创新的根本保障。”他说。

　　以青年人才为主体，始终注重构筑交叉融合的科研格局，令张其春团队富有创新活力。在张其春眼中，团队成员不仅怀有追求科学前沿的远大志向，也具备脚踏实地、潜心钻研的务实品格，在面对难题时总能迎难而上、协同攻关。“在COF领域实现压电效应几乎是一个从0开始的全新课题。我们面前是一片无人区——从分子设计、合成到器件构建，没有任何先例可循。最初的分子设计就像在黑暗中摸索，陷入瓶颈之际，一句略带感性的疑问‘这些聚合物链怎么那么长，像蛇一样柔软缠绕’，瞬间拓宽了思路。”他们开始思考，长期关注基团的化学性质，是不是忽略了链的“柔性”所带来的物理效应？是否可引入柔性长链结构以增强偶极矩、打破对称性？思想的火花就此迸发，他们迅速锁定了一类与经典压电聚合物PVDF结构相似的含氟长链基团，后续的理论计算也初步验证了该方向的可行性。在尝试了多种掺杂剂与成膜工艺，历经数十次实验后，团队终于成功制备出结构稳定、性能优异的压电活性层，并在此基础上构建出首个基于压电COF的纳米发电器件。