“有时采取了较为罕见的实验方法，这拉长了实验时间，实验中还需要一步步地手动调整测量位置，这让毛献文患上了腱鞘炎。”回忆最新论文的研究过程，重庆科学家毛献文表示。
他目前是新加坡国立大学材料科学与工程系助理教授、校长荣誉青年教授。2021 年 12 月 24 日，毛献文在 Nature Materials 发表了一篇一作论文[1]。文章的通讯作者是毛献文的博士后导师，康奈尔大学化学系的Peng Chen教授。
论文题为《颗粒光电极的晶面结效应》（Inter-facet junction effects onparticulate photoelectrodes）。
图 | 相关论文（来源：Nature Materials）三维半导体颗粒可提供二维材料的电子特性
该研究提出一种全新的概念，即三维半导体颗粒可提供二维材料的电子特性。
在创造下一代电子产品时，二维半导体具备以下优势：更快、更强大、更高效。同时，它们也非常难以制造。
在研究几何形状的不同晶面时，他发现三维半导体颗粒也有边缘，而且这些晶面边缘的接合处具有二维特性，可用于光电化学过程，其中光可用于驱动化学反应，从而促进太阳能转换技术。
多年来，毛献文一直专注于研究半导体钒酸铋，这种材料可以吸收光，进而可以利用能量氧化水分子，可以说这是一种很好的产生氢气和氧气的清洁方式。
（来源：Nature Materials）许多半导体晶体颗粒，本身存在各向异性的形貌。也就是说，它们拥有三维表面，充满着相互倾斜、以及在粒子表面的边缘处相交的晶面。
但是，并非所有晶面都是等同的，它们具备不同的结构，这会导致不同能级和电子特性。不同晶面在边缘相交时，具有不同的能量水平，所以存在不匹配，而这种不匹配会导致一个过渡的区域。如果是各向同性的半导体颗粒，它就没有这个属性。
基于此，毛献文使用高空间分辨率功能性成像技术，测量了单个半导体颗粒每个晶面，以及其间相邻边缘的多个点的光电化学电流和表面反应，然后使用系统定量数据分析，来表征这种过渡变化。
他和团队首次发现，各向异性的三维颗粒的表面，实际也能拥有二维材料的电子特性，其中电子特性的过渡区域，发生在不同晶面汇聚的边缘附近，而这是从未有过的设想。
（来源：Nature Materials）“如果没有高分辨率功能性成像工具，这种现象也不可能被揭示。”他表示。
此外，他还发现过渡区宽度与晶面大小相当。这提供了一种“调整”电子特性，也提供了一种为光催化过程定制催化剂颗粒的方法。
并且，还可通过化学掺杂，去改变近边缘过渡区的宽度来调整特性。
他指出，对许多太阳能转换技术来说，颗粒状半导体光催化剂至关重要。在形状各向异性的光催化剂颗粒中，不同的组成面可在其相邻边缘形成面间结，类似于横向二维异质结、或者是由少层二维材料制成的伪二维结。
概括来说，此次发展的成像工具和揭示的物理现象，为理解、预测和设计晶面半导体材料的电子和光电化学性质铺平了一条新路，对能源科学和半导体技术具有广泛的意义。
（来源：Nature Materials）意外发现趣味实验现象
毛献文回忆称，一开始做该方向的研究时，主要催化剂成像。
具体来说，他先是研究了不同的金属材料和半导体材料，比如金和银等。然后，逐渐延伸到一些其他半导体材料。
一开始，他研究的是形貌比较简单的颗粒，比如球形颗粒和柱状颗粒，以及纳米线等形貌简单的纳米材料。
接下来，他开始研究形貌比较复杂的材料，例如各向异性的半导体颗粒。这种形貌复杂的半导体颗粒，会带来一些新挑战，使得成像技术、以及时间和空间的分辨率都需要优化。
（来源：Nature Materials）为实现上述目的，他主要从两方面去努力：一个把材料加工出更复杂的应用能力，二是不断地发展和创新成像技术，从而去研究更广泛的表面现象比如化学反应、或光电效应。
期间，毛献文发现了一些比较有趣的现象，例如在同一个晶面会有很宽的过渡局，而同一个晶面光电流的大小有很大区别。
这也是在研究伊始，毛献文去思考三维颗粒是否会有二维特性的原因。
到最后阶段，他考虑的是如何更加定量地分析这种有趣现象，以及如何更系统地表征材料，这时就得不停地完善成像技术，同时采用系统分析方法做大量的实验，然后统计出此次发现的新物理现象和化学现象，最终得出了本次研究成果。
对氢能源有着直接重要意义
该研究的应用前景非常广泛，此次涉及到的材料，对氢能源有着直接重要意义。它告诉我们该如何设计材料、优化材料，比如通过处理表面化学参杂来提高水分解效率等。
提高水分解效率，对有效利用清洁能源并产生氢气具备重要意义。而且，根据此次研究的材料所设计出来的新思路，可直接应用到当前的产业化体系中。
另外在研究过程中，对催化剂颗粒表面的感性、以及催化剂形貌的调控，这些都具有实际应用价值。
同时，此次使用的成像工具和分析方法，对能源化学中其他重要反应，也具有一定作用，比如二氧化碳还原、氮气转化等。这些化学反应也需要既高效、又便宜的光催化剂颗粒设计。
可以说，毛献文此次开发的成像工具、以及提供的研究思路，对于上述重要反应具备启发意义。
除了和能源化学直接相关的应用三维半导体材料，二维电子属性的发现，也可给半导体工业带来实际价值，对常见的二维电子器件的设计和发展也有一定帮助。
要知道，很多二维异质结的材料非常难以合成，而该研究提供了新思路，用容易制造的三维半导体颗粒去提供二维材料的电子特性，应用前景非常广泛。
为申请专利开始思考商业用前景
在发展新型成像技术时，需要一些非常规手动操作，比如要手动去收集数据、调整实验仪器参数，在不同位点进行测量等。
当做出比较出彩的结果时，毛献文打算申请专利。这项工作一开始比较偏基础研究，实际应用的大规模生产数据非常少。为了申请专利，他开始思考商业用前景，并做了一些补充实验。
后续，他打算研究和能源相关的其他重要反应。在他的设想中，可以用更高效更低成本的方式去合成材料，然后在大规模设备和体系里面达到同样效率。
毛献文是重庆人，本科就读于清华大学化工系，后来到麻省理工学院（MIT）化工系读博。随后，在康奈尔大学化学与化学生物系做博后研究。
目前，他是新加坡国立大学材料科学与工程系助理教授、校长荣誉青年教授 （NUS PresidentialYoung Professor）。
问及是否有回国计划，他表示：“目前没有。但是以后长期我也想回国。我觉得中国发展得太快了，真是翻天覆地的变化。我回到亚洲以后，也想和中国各个高校和研究机构进行长期的合作和交流。”
