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机械工程学会摩擦学分会 固体润滑国家重点实验室 摩擦学学报
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学科探索

广东工业大学唐新桂/孙启军MSER: 基于一步制造异质结人工突触器件的光电双模传感系统 2025-06-09 ; 研究背景： 在大数据时代，数据的规模和复杂性正以指数级增长。日常生活中，各种智能设备、工业控制系统和电子产品都需要高效的感知系统来实现智能化操作和决策。这些感知系统需要具备高灵敏度、高精度、快速响应以及多模态感知能力。因此，开发出传感、记忆和处理功能的单片集成的器件对于当前时代的智能信息处理尤其重要。其中光电突触器件对于光信号和电信号的双模态感知能力，让其成为下一代信息技术的关键器件。 ; ; ;; 研究成果： 近日，广东工业大学唐新桂研究团队开发出一种融合传感器与忆阻器的架构的多模态感知系统。研究成果以“Photoelectric dual mode sensing system based on one-step fabricated heterojunction artificial synapses device”为题发表在国际著名期刊Materials Science & Engineering R (IF 31.6) 上，广东工业大学物理与光电工程学院博士研究生杨东平为本文的第一作者，广东工业大学唐新桂研究员、孙启军副教授为论文共同通讯作者。 本研究提出了一种基于TiO2-Nb：SrTiO3异质结的光电人工突触装置，该装置通过一步磁控溅射技术制造，实现了传感、记忆和处理功能的单片集成。实验结果显示，该装置在电刺激下表现出超过10,000秒的多级电阻状态稳定性，并通过光学调制实现了超过七个非易失性电导状态。此外，开发了一种融合传感器与忆阻器的架构，通过光电协同调节，应用于智能交通和情绪识别领域。该系统成功实现了多维度车辆监控（动态、速度、方向），并通过整合面部特征和声学信号，完成了三类情绪分类，验证了多模态信息融合的有效性。该装置通过光电协同作用实现了视听双模态融合感知，其CMOS兼容的制造工艺为神经形态传感系统的发展提供了可扩展的途径。 ; ; 3.创新点： 电信号可编程调控机制 ; 采用动态电激励调控策略，实现器件导电态连续可调功能，实验器件表现出超过10,000秒的多级电阻状态稳定性，展现出优异的环境适应性与稳定性。 ; 仿生神经突触特性开发 ; 基于光脉冲可塑性调制，构建了包含短时程强化（STP）和长时程增强（LTP）的类脑记忆模型，通过光强-脉宽协同调控实现了类似人类经验积累的强化学习机制，奠定了多模态传感与存算一体化的硬件基础。 ; 能态工程与载流子动力学表征 结合紫外光电子能谱（UPS）与吸收光谱解析技术，建立了完整能带结构演化模型，阐明电/光双场调控下界面电荷转移机制与载流子弛豫规律，为器件工况优化提供理论支撑。 ; 车辆智能感知系统集成 ; 构建光-电信号异构融合平台，通过多物理场协同反馈机制，同步汽车运动方向与位移速度动态参数，实现车辆运动状态的多模态监测。 ; 情绪多模态识别系统创建 开发视觉-听觉双通道融合架构，利用特征提取卷积算法（面部表情特征+声音频率特征），使情感识别准确率在Epoch 6达到100%。同时可以识别出声音和面部不匹配的虚假情绪，突破了传统单一模态的情绪感知限制。 ; ; 4.图文导读: 图1. (A)双脉冲促进行为的PPF指数。(B)在光学脉冲模拟下，薄膜器件的学习-再学习机制。(C)器件光响应电流的电压依赖性。(D)薄膜器件在光开启时，光响应电流随光学脉冲宽度的变化。(E)薄膜器件在光关闭时，光响应电流随光学脉冲宽度的变化。(F)在450 nm和650 nm光源下，器件的光响应行为。(G)薄膜器件光响应电流随光学脉冲数量的变化。(H)在多次光学脉冲刺激下，薄膜器件的不同电导状态。 图2. (A)多模态感知系统用于实现车辆速度/动态/方向的感知。(B)从t0到t1的时间段内汽车的信息流场景。(C)静态场景下帧差动态识别算法的照片输出。(D)静态场景下帧差动态识别算法的亮度输出。(E)动态场景（汽车出现并移动）下帧差动态识别算法的照片输出。(F)动态场景下帧差动态识别算法的亮度输出。(G)不同速度下的汽车EPSC映射。(H)通过压阻传感器测量不同速度下车辆的输出电压。(I)输入不同速度电压脉冲后忆阻器的输出电流。封闭路段上汽车的行驶方向(J)和薄膜器件对应的EPSC映射(K)。 图3. (A)多模态感知系统用于实现人类情感识别。(B)不同人类情感下的电压脉冲信号（传感器）。(C)不同电压脉冲信号下的输出电流（忆阻器）。(D)通过捕捉面部特征获得的光脉冲序列。(E)不同光脉冲序列下的EPSC响应。(F)不同情感下的综合输出电流。(G)基于面部特征和声音特征的情感识别卷积神经网络模型。(H)20个周期内情感识别的准确率和损失值。 ; 5.结论： 通过一步制备的磁控溅射工艺开发了一种新型异质结光电人工突触器件，表现出优异的突触可塑性和非易失性。这些特性通过光电信号脉冲调制得到了验证。此外，利用该器件同时感知光信号和电信号的独特能力，引入了一种压阻式触觉传感器，构建了多模态传感与计算系统。该系统不仅能够实现视觉和听觉的感知与计算，还通过点阵和神经网络的构建，成功展示了其在车辆驾驶状态和驾驶员情绪的多模态感知、存储和计算中的应用。 ; 文献连接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101021
Born-Kuhn驱动的2.5D手性超材料 2025-06-09 ; 一、【导读】 采用阴影球光刻（SSL）技术制备了包含Born-Kuhn（BK）等离子体单元的2.5D手性超材料，形成三层旋转的Ag/SiO2/Au纳米孔阵列。所得纳米结构表现出显著的手性光学活性，可实现高灵敏度的沙利度胺对映体无标记检测。采用二范数;（L2 norm）降维技术进行全谱信号处理，相比传统方法，可获得更优异的手性特征提取性能，显著提升对映选择性传感性能。这种可扩展且精确的方法显著推动了 BK 型手性超材料 （CMs）的进步，为超薄、高性能手性光子和传感器件提供了一个实用平台。 二、【成果掠影】 最近，重庆大学微电子与通信工程学院博士研究生陈心怡在艾斌研究员的指导下，发表了一篇题为《Born-Kuhn-Driven 2.5-Dimensional Chiral Metamaterials》的论文。该论文发表于Wiley的JCR一区期刊《Advanced Optical Materials》。该研究团队创新性地采用SSL技术制备了基于BK理论的2.5D手性超构材料，即三层旋转纳米孔阵列（3RHA），通过引入SiO2介质层显著增强了手性光学响应和传感性能。所提出的2.5D结构突破了传统2D、3D、BK模型的局限性，兼具制备简易、低成本和高性能等优势。研究还通过L2 norm信号处理方法优化了手性异构体检测，显著提升了检测灵敏度。 ; 三、【核心创新点】 采用SSL技术制备超薄2.5D BK手性超构材料（CMs），突破传统电子束光刻的限制，实现低成本、高精度的纳米级旋转堆栈（Ag/SiO2/Au）对准。设计3RHA结构，通过等离激元共振增强手性光学响应，实现超高不对称因子（g;= 0.6）和圆二色性与厚度比（CD/t = 67°/μm）。结合机器学习优化几何参数，精准调控光学性能，并通过实验验证，显著提升CMs的设计效率与性能上限。采用L2 norm信号处理方法，显著提升ΔΔλ特征提取能力，实现了对手性沙利度胺对映体的高灵敏度和高稳定性检测，为手性传感技术的实际应用提供了突破性解决方案。 四、【数据概览】 图1 a）3RHA设计和制造过程：紧密六方堆积的;PS 球经过刻蚀得到目标直径的微球阵列，以不同的入射角和方位角进行 Ag、SiO2 和 Au 的三次连续沉积，得到3RHA薄膜的逆时针和顺时针的镜像结构；b）2D、2.5D、3D CMs结构的类别示意图 图2 3RHA和RHA的比较分析：a）CD分布散点图，b）基于a）图参考线上下的数据点占比，c）基于Δθ对样本进行分类的总体金字塔图，d）最大响应结构的电场差异分布，e）最大垂直电场屏幕的超手性场C/|C0|分布图 ; 图3 实验制备3RHA的手性分析：a）SEM图（例尺为200 nm），插图为电场|∆E/E0|分布，b）实验的CD和不对称g因子光谱，c）比较仿真和实验中3RHA与已有研究关于2D、3D、BK模型CMs的CD/t响应，d）手性对映异构体作用于结构、偏振器-CCD光谱仪系统检测、ΔΔλ和L2（ΔΔλ）两种光谱分析方法，e）LH-和RH-结构的CD光谱，f）对比LH-和RH-结构有和没有R-Thd时的CD谱图，g）R-Thd和S-Thd的ΔΔλ和L2（ΔΔλ）对比图 五、【作者信息】 第一作者为重庆大学微电子与通信工程学院陈心怡，通讯作者为重庆大学微电子与通信工程学院艾斌研究员。该研究得到了国家自然科学基金委和重庆市研究生科研创新项目的资助，并由重庆大学、杭州电子科技大学和吉林大学的研究人员共同完成，其中包括吉林大学张刚教授等参与工作研究。想了解更多关于这一研究的细节和实际应用潜力？请访问课题组https://www.ailabcqu.com/page112。让我们一同见证纳米科技的未来！本实验室专注于智能微纳传感系统，将人工智能和物联网技术与传统化学、物理和材料等学科结合，开发新型微纳制备技术、新型微纳光电子传感器和生物检测功能系统。 ; 文章来源：原创 论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202501329 ; 通信作者简介 艾斌，重庆大学“百人计划”特聘研究员，智能感知与多模态信息处理重庆市重点实验室副主任，重庆大学小米青年学者，博（硕）士生导师。于2011年获吉林大学化学学士学位。随后加入吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张刚教授团队，于2016年获高分子化学和物理学博士学位。后分别在在佐治亚大学物理与天文学系和德克萨斯A&M大学航空航天工程系进行博士后研究。迄今已在包括Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Small、Chemistry of Materials及ACS Sensors在内的知名SCI期刊发表论文60余篇。五篇论文被选为封面文章，三篇文章成为月度或年度热点文章。相关工作被搜狐科技、Nanowerk等国内外媒体报道，并已获得9项中国发明专利授权。主持国家自然科学基金和重庆市自然科学基金等项目。是Advanced Materials、Advanced Functional Materials等知名期刊审稿人。担任国际期刊Discover Nano、AI+、International Journal of Smart and Nano Materials、Nanoscience & Nanotechnology-Asia和Advances in Materials编委。
复旦大学最新Science：碲纳米线视网膜纳米假体改善盲症模型视力 2025-06-06 复旦大学最新Science：碲纳米线视网膜纳米假体改善盲症模型视力 温华 ;一、 【科学背景】 本文聚焦于解决视网膜退行性疾病（如视网膜色素变性和老年黄斑变性）导致的不可逆视力丧失问题。当前视觉修复技术面临多重挑战：干细胞疗法存在移植存活率和功能整合难题；基因治疗受限于特定遗传突变类型且长期安全性存疑；光遗传学技术需依赖基因改造和外源光敏蛋白表达，临床应用受限。传统视网膜假体（如光电二极管阵列）虽已在部分患者中实现光感恢复，但其依赖外部供电系统、笨重的眼镜式摄像头及电缆，极大限制了患者的活动自由度与生活便利性。更关键的是，现有假体的光谱响应范围通常局限于可见光（≤1000 nm），无法利用近红外光（NIR），且受制于Shockley-Queisser物理极限，光电转换效率低下，需强光刺激才能激活视网膜神经元，存在潜在组织损伤风险。红外视觉拓展具有重要应用价值，自然界中部分动物（如蛇类）可通过红外感知增强暗环境下的空间辨识能力，而人类视网膜因缺乏红外敏感光感受器，无法利用此波段光信号。开发兼具宽光谱响应（覆盖可见光与红外）、高生物相容性且无需外接设备的植入式假体，对恢复基础视觉功能乃至实现夜视增强具有重大意义。 针对上述瓶颈，本研究团队基于碲（Te）纳米材料特性提出创新解决方案。碲作为一种窄带隙（~0.3 eV）半导体材料，具备从可见光延伸至红外II区（1550 nm）的宽谱吸收能力，理论预测其可自发产生零偏压光电流，是理想的光电转换材料。作者前期研究已验证二氧化钛纳米线阵列在盲态小鼠及非人灵长类模型中作为人工光感受器的可行性，成功恢复部分视觉行为，但受限于材料带隙，其光谱响应范围仍集中于可见光波段。在此基础上，本研究通过化学气相沉积法设计合成碲纳米线网络（TeNWNs），利用其独特的螺旋链状晶体结构，结合材料内部缺陷（锡取代、碲空位）与外部界面（纳米线/视网膜细胞接触面）的非对称性协同效应，突破传统体材料对称性限制，实现“自供电”式高效光电转换。这一设计巧妙规避了外部电源依赖，简化了植入系统，为开发微创、宽谱、高灵敏度的新一代视网膜纳米假体奠定了技术基础。 ; 二、 【科学贡献】 今日，复旦大学王水源、周鹏、张嘉漪以及中国科学院上海技术物理研究所胡伟达课题组，在最新Science上发表了题为“Tellurium nanowire retinal nanoprosthesis improves vision in models of blindness”的论文。本研究通过化学气相沉积合成碲纳米线网络（TeNWNs），其独特的一维链状晶格结构结合锡（Sn）替代缺陷和碲空位，在界面不对称性驱动下产生超高光电流密度（30 A cm⁻²），覆盖可见光至1550 nm近红外-II波段。在视网膜色素变性盲鼠模型中，TeNWNs通过微创视网膜下植入替代受损感光细胞，成功激活视网膜神经节细胞（RGCs）和视觉皮层（图3：TeNWNs诱导盲鼠视网膜神经节细胞对多波段光刺激的电生理反应）。行为实验证实植入盲鼠恢复瞳孔光反射，并在近红外光下完成光源定位（正确率71.67%）和图案识别（正确率~62.3%）。在食蟹猴模型中，TeNWNs植入后兼容正常视力，新增红外光感知能力，且植入区域血管完整，无炎症反应。 图1 展示碲的螺旋链晶格结构、Sn缺陷分布及理论计算证明缺陷驱动的超高零偏压光电流 © 2025 AAAS 图2 实验验证TeNWNs在可见光至红外-II波段的自发光电流响应及空间电场分辨率© 2025 AAAS ;图3 盲鼠视网膜神经节细胞经TeNWNs刺激后，对多波段光产生动作电位并恢复感受野功能© 2025 AAAS ;图4 植入盲鼠的视觉皮层激活、瞳孔反射恢复及行为学测试© 2025 AAAS ;图5 食蟹猴植入TeNWNs后视网膜结构完整性评估及红外光诱导的视网膜电图响应© 2025 AAAS ; 图1展示了碲（Te）纳米线的晶格结构与光电流机制。通过理论计算和实验表征（SEM、HAADF-STEM），揭示碲的螺旋链状原子结构（图1A-B），并证明内部缺陷（锡替代、碲空位）和外部界面不对称性共同诱导零偏压下的巨幅光电流。图2通过实验验证TeNWNs的光电性能。器件在零偏压下的光电流密度达30 A cm⁻²（创纪录值），且随光照强度线性增长。与各类材料对比表明，降维结构显著提升光电流，其响应波段（可见光-1550 nm）超越现有视网膜假体技术（图2D）。图3聚焦TeNWNs激活盲鼠视网膜神经节细胞（RGC）的能力。植入后RGC对可见光（470/570/635 nm）和近红外光（940/1550 nm）均产生动作电位（图3B），近红外II区激活阈值最低（18.98 mW mm⁻²，图3E-F）。图4评估视觉功能恢复。植入盲鼠的皮层视觉诱发电位（VEP）证实信号上传至高级视觉中枢（图4D-G）。行为学测试显示：瞳孔对可见光/近红外光产生收缩反射；在饮水联想任务中，植入鼠对近红外光的正确率达66.67%。 图5验证食蟹猴模型的生物相容性与功能。植入112天后，OCT和眼底荧光造影（FFA）显示TeNWNs稳定贴附视网膜内核层，无血管异常。 ; 三、【科学启迪】 总之，本文成功开发了一种基于碲纳米线网络（TeNWNs）的视网膜纳米假体，能够高效地将可见光至近红外-II区（1550 nm）的光谱自发转换为零偏压光电流，光电流密度高达30 A cm⁻²。通过缺陷工程和界面不对称性设计，该假体克服了传统视网膜假体依赖外部设备、光谱响应窄及效率低的局限。在失明小鼠模型中，TeNWNs成功植入视网膜下空间，激活了残余视网膜环路和视皮层神经信号，恢复了瞳孔光反射、光源定位及图案识别等视觉行为，其光强度仅为临床安全阈值的1/80。在非人灵长类动物（食蟹猴）实验中，该假体展现出良好的生物相容性和长期稳定性，在保留正常可见光视觉的同时新增了红外光感知能力，且未引起明显炎症或视网膜结构损伤。 展望未来，TeNWNs技术为视障患者提供了兼具视力恢复与红外视觉增强的革新方案。其微创植入特性、宽光谱响应及无需外置电源的优势，显著提升了临床实用性与安全性。下一步需推进人类临床试验，验证其在人体中的长期安全性和视觉恢复效果。同时，通过优化材料空间分布与神经编码策略，有望进一步提升假体的分辨率与色彩识别能力。结合视觉训练促进大脑皮层可塑性，该技术或可帮助患者适应并充分利用新型视觉信息，最终实现从基础光感知到复杂视觉场景理解的跨越，为视网膜退行性疾病患者带来更自然、更强大的视觉功能重建。 ; 原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu2987 ;
Nature：基于核磁共振信号的Pt单原子催化剂配位环境研究 2025-06-06 负载型金属催化剂可实现对反应性的卓越控制和高金属利用率，接近分子系统的精确度。然而，准确解析局部金属配位环境仍具挑战性，阻碍了优化其设计以适应不同应用所需的结构-活性关系的发展。尽管电子显微镜可揭示原子分散情况，但用于多相催化的传统光谱方法仅能提供平均结构信息。苏黎世联邦理工学院Christophe Copéret、Javier Pérez-Ramírez等人开发基于¹⁹⁵Pt固体核磁共振（NMR）的超宽线技术，结合蒙特卡洛模拟，定量解析铂单原子催化剂（SACs）的配位环境、位点分布及动态演化规律，实现原子级精度表征。研究成果以“Coordination environments of Pt single-atom catalysts from NMR signatures”为题发表于Nature。 该研究主要创新点 1.技术突破： 首创低温超宽线¹⁹⁵Pt NMR方法，将检测时间从月级缩短至小时级，攻克低含量（~1 wt% Pt）SACs信号弱、谱线宽的难题。 2.定量模型创新： 建立化学位移张量参数（δₛₛ/Ω/κ）与配位环境的映射关系，通过蒙特卡洛模拟将NMR谱转化为“SAC指纹”，量化位点均匀性（σ、ρ参数）。 3.动态追踪能力： 首次实时监测合成过程（如退火步骤中Cl⁻配体去除）及反应失活机制（乙炔氢氯化中Pt过度氯化导致失活），揭示结构-性能关联。 4.普适性拓展： 成功应用于不同载体（N-掺杂碳、PTI、SiO₂），为双原子/团簇催化剂等复杂体系表征提供通用框架。 图1：平面型Pt(11)位点的195Pt NMR 图2：静态和MAS 195Pt固态核磁共振表征 图3：铂配位环境的质量指标 图4：可重复性、替代支持以及催化作用下的进化通过核磁共振（NMR）特征 论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09068-x
中山大学吕树申/陈楷炫ChemPhysChem: 基于第一性原理的高陈数量子反常霍尔绝缘体Mn2Bi2O6及其与BN耦合的多层异质结构研究 2025-06-05 【研究背景】 量子霍尔效应（QHE）中无耗散的边缘态为降低电子器件中的能耗提供了一条有前景的途径。然而，QHE需要强外部磁场和极低的工作温度，这限制了其实用性。1988年，Haldane提出了一种机制，即在没有外部磁场的情况下，通过量子反常霍尔效应（QAHE）实现。磁性拓扑材料结合了磁性和拓扑特性，是实现QAHE的理想平台。这种效应通常在打破时间反转对称性的材料中观察到，其中系统的磁矩和自旋-轨道耦合（SOC）之间的相互作用导致非平凡的拓扑电子结构。这类材料以其手性无耗散边缘态为特征，为高速低能耗自旋电子器件铺平了道路。在实验中，QAHE通常通过在三维拓扑绝缘体中掺杂磁性元素实现长程铁磁（FM）序。然而，这种方法需要在极低温度下实现。另一种方法涉及利用磁性接近效应，通过构建磁性材料与拓扑绝缘体之间的异质结来诱导QAHE。这种方法通过磁性层与拓扑绝缘体表面态之间的相互作用打开磁隙。然而，磁序与拓扑态之间的相互作用在结构上较弱且对界面性质高度敏感，导致实验进展缓慢。成功实现的磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4展示了实现多种奇异量子态的潜力，然而QAHE在实验实现过程中温度仍然较低。近年来，本征二维磁性拓扑材料在理论计算领域被广泛准确预测。在本研究中，我们基于实验上已合成的Ru2SrO6结构，采用第一性原理计算方法实现了类似结构的二维单层Mn2Bi2O6，并证明其是热力学和动力学稳定的，考虑面外铁磁的能带特性，进一步研究了它的电子结构，磁性，拓扑性质，进一步探索丰富了未来低能耗电子期间的潜在候选者。 ; 【工作介绍】 ; 近日，中山大学吕树申教授和陈楷炫副教授等人利用第一性原理计算方法，提出了一种新型二维铁磁单层材料Mn2Bi2O6，并系统地研究了该体系的晶体结构，电子结构，磁性和拓扑性质。基于第一性原理计算，研究表明二维Mn2Bi2O6层材料在自旋轨道耦合（SOC）作用下可实现高达110 meV的非平庸能隙，基于蒙特卡洛模拟得到的居里温度为285K，并伴随陈数为3的量子反常霍尔态，意味着该体系具有三个本征手性边缘态。进一步构建由hBN作为间隔层的三层异质结构Mn₂Bi₂O₆/BN/Mn₂Bi₂O₆后，体系的总陈数提升至6，同时带隙也进一步扩大至117.4 meV，意味着对外界具有更好的抗干扰性能。此外，研究还尝试构建Mn2Bi2O6的Janus结构Mn₂Bi₂O₃Te₃，发现该调控方式会导致拓扑态和陈数发生转变，陈数为1。这一工作不仅引入了新的磁性拓扑候选材料，扩展了QAHE材料的种类，还为低功耗电子设备和拓扑量子计算实现建立了新的候选平台。该文章发表在物理化学领域专业期刊ChemPhysChem（2025, e2500161,;DOI: 10.1002/cphc.202500161），中山大学硕士生胡佳明为本文第一作者。 【内容表述】 ; 计算方法 所有电子、自旋磁性及拓扑性质的计算均采用Vienna Ab-initio Simulation Package（VASP）程序，使用投影增强赝势方法和Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函近似。为了准确描述过渡金属Mn的电子性质，采用了GGA+U方法，有效库仑作用参数U值设定为4.0 eV，依据已有文献。为减少周期性结构间的相互作用，引入了20 Å的真空层。平面波能量截断设置为500 eV。结构弛豫的优化标准是每个原子的Hellmann–Feynman力小于0.02 eV·Å⁻¹，且连续电子步之间的能量变化小于10⁻⁶ eV。k点采样采用12 × 12 × 1的Γ点居中Monkhorst-Pack网格。在多层体系中考虑范德瓦尔斯相互作用时，采用Grimme的DFT-D2方法。声子谱通phonopy程序计算，采用了2 × 2 × 1的超胞。分子动力学模拟在300 K恒温条件下进行，总时长为4 ps，采用了2 × 2 × 1的超胞体系。Berry曲率与Chern数通过VASPBERY程序计算，边缘态与反常霍尔电导则使用Wannier90与WannierTools程序进行分析，并结合格林函数方法计算半无限体的拓扑性质。居里温度通过Monte Carlo方法估算，使用的是mcsolver程序实现。 ; 结果与讨论 图1：（a-b）单层Mn2Bi2O6的晶体结构。 (c-d)不考虑自旋轨道耦合（SOC）效应以及考虑SOC时的能带。（e）考虑SOC后Mn的轨道投影态密度。（f）考虑SOC后O的投影态密度。 图1展示了单层Mn2Bi2O6的晶体结构和电子性质。该结构呈蜂窝状晶格，以Bi，O，Mn，O，Bi顺序堆积，属于P31m空间群，具有绕z轴的C3反演对称性，由能带图可知不考虑SOC时为狄拉克半金属态，考虑SOC后打开了110meV的能隙，Mn的d轨道可以分为三组，分别为，（，）以及（，），O的p轨道分为和（，）。费米能级附近的贡献主要为Mn的（，）轨道与O的轨道的耦合贡献。; 图2：单层Mn2Bi2O6的拓扑性质（a）边缘电子态密度（b）倒空间的贝里曲率分布。（c）费米能级附近的量子化的导电平台。 图2显示了二维单层Mn2Bi2O6沿 (1 0 0) 方向的相应的半无限纳米带的拓扑性质计算结果，其中在Г(0, 0, 0) 点附近可以观察到一个手性边缘态，在X (0.5, 0, 0)点附近有两个边缘态，总共有三个边缘通道。在费米能级附近出现了量子化的导电平台，且反常霍尔电导由公式得到，结果也印证了，即陈数为3。贝里曲率沿布里渊区的高对称线内对称分布，在高对称点附近可以观察到非零值。陈数C是根据整个布里渊区的贝里曲率积分计算得出的，通过对布里渊区的非零贝里曲率积分，可以得到一个整数。 图3： Mn2Bi2O6/BN/Mn2Bi2O6结构示意图，电子和拓扑性质（a） 主视图（b）俯视图（c）能带（d）导电边缘态（e）量子反常霍尔电导（f）贝里曲率 ; 实验上，经常通过堆叠陈数为1的二维单层材料来实现更高的陈数，对于本身具有高陈数C=3的二维单层材料，堆叠后同样是否能实现更高陈数，实验上目前较少实现。基于第一性原理计算，本研究构造了Mn2Bi2O6/BN/Mn2Bi2O6异质结进一步探索拓扑性质。纯双层Mn2Bi2O6的基态为反铁磁态，并且铁磁态下能带的带隙非常小，为了进一步扩大体能隙，但拓扑导电边缘态仍然存在，我们在两个单层Mn2Bi2O6之间加入BN绝缘层来构建异质结构，该体系基态为铁磁态，并实现了117.4meV的能隙，大于室温能标。进一步的拓扑计算表明，该体系有六个手性导电边缘态，为单层材料的两倍，通过贝里曲率积分得到的陈数为 C = 6，量子反常霍尔电导在费米能级附近也显示出量子化的导电平台。 图4：二维单层Mn2Bi2O6的Janus结构电子和拓扑性质。（a）俯视图（b）主视图（c）Mn2Bi2O3Te3的能带（d）Mn2Bi2O3Te3导电边缘态（e）对应的量子反常霍尔电导（f）贝里曲率在倒空间的分布 ; 将S，Se，Te取代Mn2Bi2O6上层的三个O原子后的结构，如图4所示，主要研究对称性破缺后拓扑性质的变化。Janus结构Mn2Bi2O3S3存在三条手性边缘态，反常霍尔电导为，对应的陈数为3，与单层Mn2Bi2O6的拓扑性质相同。Janus结构Mn2Bi2O3Se3在能隙中则不存在手性边缘态，对应的反常霍尔电导为0，陈数为0，为普通的半导体。Mn2Bi2O3Te3的拓扑性质实现了3到1的转变，如图4（d-f）所示，边缘态的数目为1，量子反常霍尔电导在费米能级附近呈现出e2/h的导电平台，贝里曲率如图（f）所示，在布里渊区的积分得到陈数为1。这与单层Mn2Bi2O6相比，全局带隙为156.4meV（图c），实现了更大带隙陈数为1的量子反常霍尔系统。 ; 【结论】 我们基于第一性原理计算，提出并系统性地研究了一种高陈数量子反常霍尔绝缘体，二维Mn₂Bi₂O₆单层。单层Mn2Bi2O6表现出陈数C=3和显著的带隙（110 meV），使其成为在实验温度下实现量子反常霍尔效应的有前景候选材料。通过与hBN构建多层异质结构，陈数可进一步提升至C=6，同时带隙增强至117.4 meV，远大于室温能标。在Mn2Bi2O6中进行等同族元素掺杂能实现拓扑调控，实现C=3到C=1的陈数转变。这些发现扩展了可实现QAHE的材料体系，为低功耗电子器件、自旋电子学以及拓扑量子计算等未来应用铺平了道路。 ;
中南大学Appl. Phys. Rev.: 超低功耗不对称肖特基势垒晶体管 2025-06-05 研究背景： 视觉感知系统是生物与环境互动的基础，使其能够收集信息并产生生存和繁殖所必需的适应性反应。值得注意的是，选择性记忆和适应是最独特和最基本的视觉行为之一，是视觉系统有效运作的基础。在生物学上，生物神经网络可以同时感知、记忆和处理光信息，具有高效率，低能耗和高容错率等特点。然而，基于传统冯·诺依曼架构的固态硬件很难实现这些仿生视觉行为。目前，基于二维材料的光电晶体管已经证明了具有仿生视觉适应的能力，为下一代人工视觉系统奠定了基础。但仍有一些关键问题有待解决，如优化适应过程、提高记忆效率和最优化能耗。因此，从底层器件概念出发，需要进一步发展新型器件架构，以超越传统的人类视觉功能。 创新成果： 近日，中南大学物理学院蒋杰课题组在著名期刊Applied Physics Reviews上发表题为“Reconfigurable Graded Adaptive Asymmetry-Schottky-Barrier Phototransistor for Artificial Visual System with zJ-Energy Record”的研究性论文。该研究主要提出一种通过不对称肖特基势垒，实现超低功耗和高级仿生功能的不对称电极器件架构策略。这种肖特基势垒可以通过栅极或漏极偏置进行有效调节，从而调控MoS2沟道的载流子输运。由于采用了新的器件结构，不对称肖特基势垒晶体管可以模拟视觉选择性记忆行为，并表现出每个突触事件约90 zJ的超低能耗。更重要的是，有趣的视觉灵敏度和脱敏可以在该器件中模拟，从而实现分级适应行为。该研究为具有低能耗、环境自适应和动态视觉感知性能的自动驾驶汽车和环境交互机器人的未来发展提供了重要借鉴。 ;;;; 本文亮点： 要点一：提出新型不对称电极器件架构用于构建不对称肖特基势垒 基于创新性的不对称电极器件架构（源极采用Ni/Au、漏极采用Pd），我们成功在二维MoS2表面构建出差异化的不对称肖特基势垒结构——该设计通过不同功函数金属的精准匹配，在源/漏界面形成能带梯度，不仅显著抑制暗电流实现超低功耗，更高效驱动光生载流子定向分离以提升响应速度，并通过空间分辨光电流成像技术直接验证了势垒不对称性的物理机制。此外，这种独特的肖特基势垒界面能有效的捕获电荷，从而模拟生物记忆行为，同时在实现生物适应功能上也具有重要价值。 图1. 晶体管制备工艺和电学特性 图2. 不对称肖特基势垒晶体管的KPFM表征和能带原理图 ; 要点二：实现超低功耗和选择性视觉记忆模拟 基于不对称肖特基势垒的独特性能，该器件成功模拟了生物视觉的选择性记忆行为：在正偏置下突触记忆效果保持强度无关的稳定性，而负偏置下则呈现记忆衰减趋势，精准复现了生物系统对关键信息的筛选机制。同时，器件在正/负偏置下分别展现出线性和指数型的EPSC可重构调控特性，实现了神经形态计算的动态适应性。突破性的是，肖特基势垒结构使器件达到创纪录的90 zJ单突触功耗，为超低功耗神经形态视觉系统奠定了硬件基础。 图3. 超低功耗突触事件和视觉选择性记忆行为 要点三：实现可重构的分级适应行为 基于正负偏置下不对称肖特基势垒的动态调控特性，该器件成功实现了可重构的生物分级适应行为——在复杂环境中精准平衡感知灵敏度与识别准确度。更重要的是，通过光-电协同刺激策略，器件完整复现了生物视网膜的核心适应机制：包括毫秒级响应的快适应、持续调节的慢适应以及环境感知驱动的周围适应。这一突破不仅实证了选择性记忆与分级适应理论的可行性，更为开发仿生自适应视觉系统开辟了器件级实现新路径。 图4. 可重构的分级适应行为 图5. 光电协同的适应行为 结论： 总之，该研究通过构建不对称电极结构的肖特基势垒光电晶体管，实现了偏压极性/幅度对势垒特性的动态调控，成功模拟生物视觉系统的选择性记忆与分级适应行为：器件凭借肖特基势垒对暗电流的有效抑制及光生载流子分离效率的显著提升，创下单突触事件~90 zJ的超低能耗现有记录；借助偏置电压调控，光激发兴奋性突触后电流（EPSC）呈现线性/指数双模可重构特性，其中正偏压实现关键信息的长时记忆存储，负偏压诱导干扰信息的主动遗忘，精准复现生物视觉筛选机制；进一步通过调节偏置电压极性，在硬件层面实现了双通道负反馈调控的分级适应行为（动态平衡灵敏度/准确度）及脱敏-自恢复视觉适应功能。该工作为开发基于二维材料的可重构神经形态视觉芯片提供了新范式。 中南大学物理学院博士生宋泓霖为论文第一作者；中南大学物理学院蒋杰教授为通讯作者。特别感谢中南大学物理学院周瑜教授和钟绵增教授团队在器件表征方面的支持。
Nature：环氧胺固化碳纤维增强聚合物回收的乙酸解聚法 2025-06-05 一、 【科学背景】 ;; 碳纤维增强聚合物（CFRPs）在全球能源转型中被广泛应用于多个领域，包括飞机和车辆的轻量化、风力涡轮机叶片、集装箱和气体储存容器等。鉴于CFRPs的高成本和能源密集型制造过程，需要回收策略来回收完整的碳纤维和环氧胺树脂成分。在这里，本工作展示了醋酸可以有效地将CFRPs中使用的脂肪族和芳香族环氧胺热固性材料分解为可回收的单体，从而获得原始的碳纤维。这种方法具有成本效益，回收碳纤维的最低售价为每公斤1.50美元，而生命周期评估显示过程温室气体排放比原生碳纤维生产低约99%。总体而言，这种方法可以实现工业CFRPs的回收，因为它提供了清洁的、机械性能可靠的回收碳纤维以及从热固性材料中回收的树脂单体。来自美国的BOTTLE联盟和国家可再生能源实验室的可再生资源与使能科学中心，Katrina M. Knauer和Gregg T. Beckham为共同通讯作者，Ciaran W. Lahive, Stephen H. Dempsey为共同第一作者团队。相关研究成果以“IAcetolysis for epoxy-amine carbon fibre-reinforced polymer recycling”为题目，发表在国际顶级期刊Nature上。 ;;; 二、【科学贡献】 图1;.;脂肪族环氧胺热固性材料的乙酸解聚。© 2025;Nature 图2;脂肪族和芳香族环氧胺固化碳纤维增强聚合物的乙酸解聚。© 2025 Nature 图3;消费后材料的乙酸解聚反应。© 2025;Nature 图4;碳纤维增强聚合物（CFRP）乙酸解聚过程的工艺模型及经济与环境评估。© 2025;Nature; 三、【 创新点】 ; 1．提出了一种有效的环氧胺解聚方法，能够将脂肪族和芳香族环氧胺热固性材料高效分解为可回收的单体。在短短1小时内就能回收到原始纤维，为新应用提供了高质量、清洁的再生碳纤维。 通过初步放大实验，提供了材料用于展示再生碳纤维的循环性，制造出具有比钢和铝更高的比弯曲强度的分散热固性碳纤维复合材料面板，并且这种性能在两次回收代中得以保持。 进行了深入的过程建模，提供了经济和环境影响指标，通过LCA和TEA评估，研究为每种回收过程提供了经济可行性的视角。 四、【 科学启迪】 鉴于碳纤维增强聚合物的高成本和能源密集型制造过程，开发能够回收完整碳纤维和环氧胺树脂成分的回收策略显得尤为重要。碳纤维增强聚合物在全球能源转型的许多应用中被广泛使用，包括用于飞机和车辆的轻量化以及风力涡轮机叶片、集装箱和气体储存容器。本研究提出了一种有效的环氧胺解聚方法，用于回收可再利用的单体，同时提供高质量、清洁的再生碳纤维，以供新应用使用。模型交联材料被完全解构，使得在短短1小时内就能回收到原始纤维。乙酸解聚法在多种消费后和工业后材料上显示出有效性。初步放大实验提供了材料，用于展示再生碳纤维的循环性，作为具有比钢和铝更高的比弯曲强度的分散热固性碳纤维复合材料面板，并且这种性能在两次回收代中得以保持。深入的过程建模提供了经济和环境影响指标，该方法显示出巨大的潜力。 原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09067-y 本文由金爵供稿。
桂林电子科技大学俞兆喆携手深圳大学田冰冰、周雅清，南昌大学赵尚泉等提出了一种晶格扩展策略提高LZC离子电导率 2025-06-04 ;;; 【研究背景】 随着全球能源结构向可再生能源能源转型及“碳中和”目标的推进，开发高效、安全、可持续的储能技术成为了当下研究的热点，全固态电池因其固有的安全性和潜在的高能量密度在近年来备受关注。Li2ZrCl6（LZC）固态电解质因具有显著的成本效益成为了当下研究的热点。然而，LZC的室温离子电导率较低（0.2-0.5mS cm-1），这是由于LZC中锂离子与空位的比例约为2:1（Li2ZrCl6;→2Li++[ ZrCl62-]），锂空位的浓度较低，会限制锂离子间的协同迁移能力。另外，LZC的晶体结构也可能存在一些限制：1）由于锂离子的占据位点不连续，迁移路径中可能存在较高的能垒，导致锂离子在不同路径的迁移受限；2）LiCl65-与ZrCl62-框架的刚性较强，难以通过局部的晶格畸变降低迁移能垒。因此，LZC较低的离子电导率限制了其进一步发展。 ; 【文章简介】 近日，桂林电子科技大学俞兆喆携手深圳大学田冰冰、周雅清，南昌大学赵尚泉等提出了一种晶格扩展策略提高LZC离子电导率。将I-引入LZC的晶格，制备了一系列Li2ZrCl6-xIx（x=0-2）（LZCI）固态电解质，由于I-具有卤素元素中最高的极化率，可以诱导Li-I软亚晶格的形成，Li+与I-间呈现出弱键合的相互作用，有效降低Li+的迁移能垒。其次，I-具有更低的电负性与更大的离子半径，当I-引入后Li-I、Zr-I键的键能更弱，键长更长，晶格体积膨胀，在扩展的晶格中，提高了锂离子的扩散效率。结合分子动力学（AIMD）与键价位能（BVSE）计算，I-的引入扩展了Li+迁移路径，显著增强的ab平面方向的迁移，与c方向路径相互连接形成了更加立体的三维传输网络。同时测试了LZCI的电化学储能性能，与TiS2及LiCoO2正极构建的全固态电池具有优异的长循环稳定性以及倍率性能。本研究提出的晶格扩展策略为提高氯化物固态电解质离子电导率，为电解质晶格结构设计提供了一条简单可行的思路。该文章发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上，文章题目为：“Superionic conductivity in halide solid electrolyte enabled by lattice extension”。硕士研究生王昇为本文第一作者。 ; 【研究内容】 为探究Li+在LZC与LZCI电解质中的锂离子扩散行为以及结构变化，研究团队采用分子动力学计算（AIMD）模拟了Li+在两种体系中的扩散行为。其中LZC的离子电导率为4.13 mS·cm−1，活化能为0.24 eV。相比之下，LZCI的离子电导率提高了13.6 mS·cm−1，活化能降低至为0.21 eV。由Li+概率密度等值面分析表明，LZCI相较于LZC具有更加立体的三维传输网络和更宽广的Li+迁移路径。I-的引入增强了结构的无序化程度。 图1. LZC与LZCI的结构模拟图及其计算离子电导率、活化能。 XRD图谱显示LZC的特征峰左移，这是由于离子半径较大的I-引入了LZC的晶格。随着I-取代量的增加，电解质的非晶化程度不断增强。通过Rietveld精修手段进一步解析了LZCI的晶体结构。I-的引入，晶格参数a、b、c及单元体积均明显扩大。晶格扩展、位点紊乱和晶格畸变共同降低了锂离子的迁移能垒。 图2. ;LZCI的XRD图谱、精修图谱及其晶格结构模型。 I-的引入使得LZC的离子电导率显著提高，最大由0.26mS cm-1提高至1.06mS cm-1，这也与AIMD计算离子电导率的增大倍数一致。活化能由0.424eV下降至0.32eV。DRT分析得到体相和晶界特征时间常数曲线证明LZCI受温度变化影响较小，且响应时间更短。为了更加深入的理解LZC和LZCI中的锂离子传输机制，探究了I-引起的结构改变对锂离子迁移路径的影响。结果表明，在LZCI体系中，Li+在ab平面方向上的迁移显著增强，不仅迁移路径更加宽广，同时具有更多元化的迁移路径，构建了更加丰富的三维传输网络，同时锂离子的迁移能垒显著降低。这也与分子动力学计算结构一致，证明I-的引入不是简单的元素取代，而是彻底改变了能垒分布，使锂离子具有更加宽阔的三维渗透网络。 图3. ;电化学测试表征LZCI中的离子传输特性；键价位能分析显示了Li+在两种体系ab平面方向的迁移路径以及能垒图。 同时，研究团队使用TiS2正极材料构建全固态电池验证电解质的电化学储能性能。当活性物质占比70%时，LZCI构建的全固态电池具有更高的首次库仑效率，更卓越的长循环及倍率性能。当活性物质占比达到90%时，LZCI同样具有更优异的充放电性能。这可以归因于LZCI与TiS2混合后形成了更有效的离子和电子输运网络，I-的取代使得电解质内Li-I、Zr-I键的键长更长，得到更柔软更极化的晶格结构，使得电解质更易变性。复合正极与电解质界面的接触更好。而LZC体系下的复合正极在TiS2含量较高时，可能出现接触不良，导致复合正极内的电化学反应不均匀。局部的正极材料颗粒过充而发生电化学失效，从而在活性物质高比例占比的长循环下表现出更低的放电比容量及更大的过电位。 图4. ;LZC与LZCI固态电解质的电化学储能性能及高比例活性物质占比的循环测试 综上所述，本研究详细探讨了Li2ZrCl6-xIx体系中I元素的引入对晶体结构、锂离子输运以及电化学性能的影响。其中适量I-的引入并没有改变晶体的原有结构。由于I-具有较大的半径，使得材料的晶格得到扩展。结合AIMD与键价位能BVSE的模拟计算分析，I-的引入可以构建更加立体且宽广的三维锂离子传输网络。显著增强了电解质中锂离子在ab平面内的移动，降低了迁移能垒。其中Li2ZrCl5I的离子电导率为1.06mS cm-1，相较于Li2ZrCl6提高了4倍（0.26 mS cm-1）。同时，研究团队在全电池体系下评估了LZCI的电化学储能性能。LZCI与TiS2正极构建的全固态电池具有良好的首次库仑效率（97.01%）， 卓越的倍率性能与长循环稳定性（1C循环500圈容量保持率88%）。 并且当正极具有高比例活性物质（＞90%）时，同样具有良好的充放电及长循环性能。; 【文献详情】 Wang, Z. Yu, X. Huang, D. Xu, J. Zhu, J. He, K. Yu, S. Zhao, Y. Zhou, B. Tian, Superionic conductivity in halide solid electrolyte enabled by lattice extension, Chem. Eng. J. 516 (2025) 164028. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164028 【通信作者简介】 俞兆喆，博士，桂林电子科技大学教授，博士生导师，广西杰出青年基金获得者，广西高层次人才，广西中青年骨干教师，深圳大学项目特聘研究员，深圳市电源技术协会标准委员会委员。担任《中国化学快报》青年编委。荣获首届全国博士后创新创业大赛总决赛银奖，全国创新创业优秀博士后，第十七届广西青年科技奖，第三届广西卓越工程师奖。主持国家自然科学基金和广西科技项目10余项，以第一作者或通讯作者身份在Energy Storage Materials、Journal of;Energy Chemistry和Chemical Engineering Journal等期刊发表论文40余篇，获授权发明专利30余项。与广西新能源企业合作建成万吨级锂电关键材料产线，新增产值数十亿元，助力广西开辟新能源材料产业新领域，打造全国重要的电池材料产业基地。 田冰冰，博士，深圳大学长聘副教授，博士生导师。2008年于郑州大学获学士学位，2011年于华南理工大学获硕士学位，2014年于巴黎第六大学获博士学位。2015年起先后在深圳大学和新加坡国立大学从事博士后研究。2017年入职深圳大学并入选深圳市海外高层次人才计划和南山区领航人才计划。主要从事新能源材料与器件如锂离子电池，固态电解质及其固态锂电池等方面的研究。近年来，在国际化学化工、能源材料等领域发表SCI论文100多篇，以第一作者或通讯作者身份在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy, Energy Storage Materials等期刊发表SCI论文50多篇。申请中国发明专利20多项，PCT专利6项。曾主持国家自然科学基金，广东省自然科学基金，深圳市科技计划，以及横向课题多项。 赵尚泉，博士，南昌大学副教授，硕士生导师，2014年于西安交通大获学士学位，2017年于中国工程物理研究院获硕士学位，2021年于厦门大学获博士学位。2021年入职南昌大学物理与材料学院。主要从事能源材料相关的第一性原理数值计算以及采用机器学习对材料的性能进行预测。近年以第一作者或通讯作者身份在Angewandte Chemie International Edition,;Journal of Power Source, ACS Applied Materials & Interfaces, 等期刊发表论文10余篇，申请国家发明专利3项，主持国家自然科学基金青年项目1项，江西省自然科学基金青年项目1项等课题。 周雅清，博士，2022年获得巴黎文理研究大学博士学位，2022年起先后在深圳大学、巴黎文理研究大学从事博士后研究。主要从事新能源器件研究与开发，聚焦固态电池、镁空气电池和钙钛矿电池研究。近年来以第一作者或通讯作者身份在Advanced Energy Materials, Journal of Magnesium and Alloys, Chemical Engineering Journal等期刊发表论文十余篇，主持广东省海外博后支持项目、欧洲研究与创新计划项目以及横向课题多项。 ; 【俞兆喆教授课题组博士后招聘】 博士后入站即可获得青年教师身份，前三年可获得综合资助超200万元。具体如下： 1.学校支持政策：年薪23万元（税前），另按规定缴纳社会保险、缴存住房公积金；博士后出站后按学校同级同类人员享受薪酬福利待遇； 2.广西自治区博士后支持政策：符合支持条件可享受自治区博士后专项经费资助，8万元/年（资助期2年）； 3.广西自治区“桂博新计划”：15万元/年，原则上资助期为两年； 4.国家“博新计划”：A档28万元/年，B档18万元/年，C档12万元/年，资助期为两年； 5.学校同步给予青年教师综合引进待遇60万元的支持； 6.职称政策：出站后可认定副高职称，入职3年内符合条件的可直接参评正高职称（按近五年业绩参评）；进入国家事业编制；提供学校周转房租住；安排子女入学入托等； 7.广西青苗人才普惠性支持政策（35周岁以下）：符合支持条件可享受科研启动经费资助，自然科学领域30万元/人。 ; 【田冰冰副教授课题组博士后招聘】 1.博士后综合年薪33万元以上。博士毕业于世界大学排名前150名高校或985高校，或者已发表中科院大类二区以上文章2篇（其中大类一区文章1篇）或中科院大类二区以上文章3篇，可以额外获得学校奖励性薪资4.8万元/年；另外，可同时享受学院科研、教研等高水平成果奖励； 博士毕业于世界排名前200的境外高校，可申请广东省海外博士后人才支持计划，年薪42万； 3.符合要求的优秀博士后可以通过“荔园留菁计划”直接申请教师岗位； 4.博士后在站期间可以独立以负责人身份申请各级科研项目； 5.符合条件的博士后可申请评定专业技术资格； 6.博士后进站，可自愿选择落户深圳市； 7.深圳市对出站6个月内来留深的博士后给予36万元生活补贴； 8.提供福利保障包括但不限于医疗服务、年度体检和就餐补贴等。 ;
日本长野信州大学Nat.Energy.：石墨烯包覆纳米多孔碳中高密度甲烷的常压储存 2025-06-04 日本长野信州大学Nat.Energy.：石墨烯包覆纳米多孔碳中高密度甲烷的常压储存 一、【科学背景】 在当今社会以及未来，甲烷（CH4）作为一种重要能源对人类社会发展将做出持续贡献，但低体积能量密度限制了人类对它的储存和利用。目前已知常用的储存方法主要为液化天然气（LNG）和压缩天然气（CNG）。但相关储存和运输需要使用昂贵的低温系统和隔热储存容器，并且甲烷不能在环境温度下液化，而必须在高压（约25 MPa）下作为压缩气体储存。当然，尽管它可以在中等压力（例如3.5 MPa）下储存在纳米多孔材料中，但这种“吸附天然气”方法可能会在温度略有升高的情况下发生大量解吸。幸运的是，吸附天然气（ANG）技术旨在通过在相对较低的压力下将CH4物理吸附到纳米孔中来应对这些挑战。 值得注意的是，ANG技术仍然面临着一些挑战。例如，CH4的物理吸附高度依赖于温度，这意味着ANG储存容器必须经过合理设计，以适应温度变化引起的巨大压力波动。此外，在ANG系统中，压力为3.5 MPa的CH4仍被归类为压缩气体，需要设计特殊的安全措施和具有高压额定值的储存容器。 二、【创新成果】 基于上述挑战，近期日本长野信州大学Isamu Moriguchi教授团队设计了一种石墨烯包覆的多孔碳材料，研究人员在高表面积碳（AC）上化学气相沉积石墨烯来合成石墨烯涂层碳，它能够在高压下充注CH4，并在常压和常温（低于318 K）下持续储存CH4，从而提高了储存安全性。研究数据表明，石墨烯起到了热控锁的作用，能够阻塞或激活孔隙以捕获或释放CH4，在298 K时实现了相当于19.9 MPa的压力负载，并在加热至473 K时释放。在考虑容器空间利用率的情况下，由此产生的可逆CH4容积容量达到142 v/v，超过了各种吸附天然气材料在3.5 MPa 和 298 K 时的容量。 图1石墨烯涂层碳材料的表征；© Springer Nature Limited 2025 研究人员设计了具有阻隔/活化功能的碳孔，多孔碳由具有化学活性边缘的石墨单元组成。当暴露于富含活性碳原子的环境中时，例如在CH4热解过程中，碳原子优先沉积在这些边缘上，形成石墨烯片，在环境温度下可以相互作用并阻碍纳米孔。加热后，石墨烯片弯曲运动的增加会激活孔隙。如图1所示，研究展示了碳边缘上的石墨烯生长模型，与分子动力学模拟得出的模型结构相对应。研究人员证明了石墨烯涂层碳的低密度优势，突显了石墨烯涂层下方存在孔隙，即使是氦气，在环境温度下也无法进入孔隙。拉曼光谱和XRD图案也证明了石墨烯涂层碳材料的成功制备。 图2 CH4储存/释放模型和CH4储存性能；© Springer Nature Limited 2025 随后，研究人员强调了孔入口处的石墨烯涂层能够通过温度调节实现对CH4的封装、储存和受控释放。如图2所示，研究发现，在环境温度下，石墨烯涂覆的孔仍然无法被CH4分子接触到。当加热至473 K、 与之接触的石墨烯层开始协同弯曲和变形，激活孔隙并允许CH4在高压下进入。随后将系统冷却至298 K实现CH4分子的捕获，其释放可以通过重新加热至473 K激活孔隙来实现。石墨烯包覆碳的孔活化/阻塞效应得到了温度依赖性透射电镜扫描观察的支持，298 K下，石墨烯组件呈现出连续无缝的边缘，相比之下，在473 K下，堵塞的孔被打开，但将温度降至298 K时，孔隙似乎重新被闭合，并且这一过程可以通过循环温度变化来重复。这些观察结果表明，温度调节控制着可逆的孔隙堵塞/活化机制。 图3 孔隙堵塞/活化的表征； © Springer Nature Limited 2025 如图3所示，通过一系列的结构表征，研究人员进一步探讨了温度变化对孔隙阻塞/活化的影响机制。拉曼光谱使微小石墨结构随温度的变化得以被研究。涂覆石墨烯的D和G波段频率峰更高，表明涂覆石墨烯材料有更高比例的有序结构。在XRD图中，涂层石墨烯的（002）峰应源自无序堆叠的石墨烯层。AC的（002）峰没有随着温度的升高而移动，而涂层石墨烯的峰则移动到了更低的角度，这表明在AC上生长的石墨烯层比石墨更具可膨胀性。后续研究表明，CH4的储存只发生在石墨烯涂层的碳中，与AC相反，在125分钟记录的CH4压力降至环境水平后，CH4的保留量证明了这一点。通过调节压力和温度，可以证明CH4的可逆包封和释放。 图4 石墨烯涂层碳中CH4储存性能的评估；© Springer Nature Limited 2025 如图4所示，研究发现，石墨烯包覆碳中CH4的储藏量随包覆温度的增加而减少，较低的包封温度不能为CH4提供足够的通道，而较高的包封温度不利于CH4在纳米孔中的物理吸附。涂覆在碳孔入口上的石墨烯具有温度驱动的孔堵塞效应，其坚固性随着化学气相沉积温度的升高而增加。研究人员检查了涂层石墨烯的坚固性对CH4存储性能的影响，结果发现，没有涂层石墨烯的多孔碳储存的CH4很少，这是因为在环境条件下，高压CH4很容易从可自由进入的孔隙中解吸。相反，用石墨烯涂层堵塞碳孔显著提高了CH4的储存能力。 该研究介绍了一种有效将CH4储存在石墨烯涂层碳中的新方法，开发了安全、高效、可循环的CH4存储新模式。文章以“Ambient pressure storage of high-density methane in nanoporous carbon coated with graphene”为题发表在国际顶级期刊Nature energy上，引起了相关领域研究人员热议。 三、【科学启迪】 综上所述，研究人员介绍了一种将CH4储存在石墨烯涂层碳中的新方法。该研究沉积的石墨烯覆盖了碳孔的入口以阻塞孔，并且在低于318 K的环境条件下足够坚固，可以保留大量的CH4。研究人员利用473 K低温余热活化碳材料，可以实现CH4释放。此外，常压储存CH4大大减轻了高压环境的安全隐患。该研究概述的方法为安全、高效和具有成本效益的CH4存储解决方案铺平了道路。 文献链接：Ambient pressure storage of high-density methane in nanoporous carbon coated with graphene，2025，https://doi.org/10.1038/s41560-025-01783-z） ; 本文由LWB供稿。
东华大学Small: 烧结形成双电层结构晶界实现耐1200°C高温氧化的高效电磁屏蔽陶瓷 2025-06-03 研究背景 电磁屏蔽材料在快速发展的航空航天领域中对于防止电子设备故障至关重要。然而，可回收火箭发动机等严苛工况要求屏蔽材料必须能在1000;°C以上的氧化环境中稳定工作数百甚至数千小时，这使得大多数传统电磁屏蔽材料无法满足需求。氧化物陶瓷虽然具有优异的稳定性，但介电损耗能力往往不足。因此，开发在高温氧化条件下具有稳定高效电磁屏蔽性能的材料仍是重大挑战。在氧化物陶瓷中通过人工设计实现偶极子极化是提升其电磁屏蔽效能的有效途径。在热力学平衡状态下，氧化物陶瓷的晶界结构可表征为双肖特基势垒—由带电核心与反向补偿空间电荷构成。受电容器效应的启发，晶界周围的双电层可视为纳米电容器，作为介电材料中有效的极化损耗机制。 近期，东华大学功能材料研究中心的江莞/范宇驰团队在高温电磁屏蔽材料领域再次取得新的突破。该团队在先前研究的具有高缺陷浓度的异价中熵钙钛矿陶瓷（2024，AM）的基础上,进一步开发了A位三元异价中熵钙钛矿陶瓷（Sr1/3Ba1/3La1/3）TiO3（简称SBL），为设计高温下应用的电磁屏蔽材料提供了新思路。通过制备具有高缺陷浓度的中熵钙钛矿陶瓷SBL，发现在烧结后空位簇倾向于在晶界处偏析，从而产生具有大势垒高度的双电层结构。独特的双电层结构晶界类似于超级电容器，大大增加了陶瓷的偶极子极化和极化损耗，从而使得钙钛矿陶瓷具有优异的电磁屏蔽性能，可以稳定到1200;℃。出乎意料的是，与其他钙钛矿陶瓷相比，SBL陶瓷在晶界上虽然具有更加高度集中的空位团簇等点缺陷，但却表现出更高的强度和韧性。这一创新的晶界设计策略，展示了如何在高温氧化条件下同时实现高电磁屏蔽效率与结构/热稳定性。 【研究成果】 相关研究成果以“Electric Double-Layer Structured Grain Boundaries in Medium-Entropy Perovskite Enable Robust Electromagnetic Interference Shielding after 1200;°C Oxidation”为题发表在Small。东华大学的博士研究生刘永平为论文的第一作者，东华大学范宇驰研究员，上海大学傅晴俏博士和北京科技大学戴付志教授为共同通讯作者。 ;;; ; 文章亮点 1、通过对比烧结前粉体和烧结后块体发现，即使在排除气孔的影响后，烧结后陶瓷块体的介电常数和介电损耗依旧远高于陶瓷粉体，这说明烧结后形成的晶界对介电常数和介电损耗有特殊的影响。 2、采用CL和EELS对烧结后的高缺陷中熵钙钛矿陶瓷的晶界结构进行了分析，发现其组成为----，类似于背靠背的双电层超级电容器结构。这种双电层结构的晶界增加了陶瓷的偶极子极化和极化损耗，导致了陶瓷大的复介电常数和介电损耗，从而导致在X波段的总电磁屏蔽效能高达32;dB以上，即使在1200;℃空气中退火后仍能保持稳定。 3、这种具有高水平空位偏析的独特晶界导致了SBL陶瓷的断裂方式为沿晶断裂，这不仅提高了其断裂韧性，还增强了其弯曲强度。该研究创新性地提出了一种兼具优异力学性能与电磁屏蔽功能的新型材料设计策略，其突出的环境耐受性使其在航空发动机及可回收火箭等极端工况下具有重要应用前景。 ; 图文导读 ; 图1中熵钙钛矿陶瓷的物相与结构。(a)传统与高缺陷中熵钙钛矿陶瓷烧结后晶界差异示意图。(b)随La含量增加的钙钛矿陶瓷XRD图谱。(c)SBL陶瓷随退火温度升高的XRD图谱。(d)SBL钙钛矿的HAADF-STEM图像及元素分布原子级EDS图谱。(e)SBL与SBC陶瓷中Ti空位和O空位浓度对比。 图2中熵钙钛矿陶瓷的介电性能与电磁屏蔽性能。(a-c)中熵钙钛矿粉体、陶瓷及理论块体材料的介电常数(ε')、介电损耗(ε'')及损耗角正切(tanδ)的频率依赖性。(d-e);SBC与SBL钙钛矿陶瓷在不同温度下测量的阻抗奈奎斯特图。(f);SBC和SBL陶瓷的晶界势垒高度。(g) X波段室温测量的中熵钙钛矿陶瓷电磁屏蔽效能。(h)不同温度退火处理后中熵钙钛矿陶瓷的电磁屏蔽效能。(i)各类氧化物陶瓷电磁屏蔽性能与电容特性的对比分析。 图3晶界空位偏析特性。(a)SBL陶瓷抛光表面SEM图像。(b)SBL陶瓷阴极发光(CL)特征，插图为带隙缺陷态发光过程的微观机制示意图。(c)SBL陶瓷CL光谱线扫描结果。(d)晶界区域的HAADF-STEM图像及O、Ti、Ba、La、Sr元素的EELS面分布图。(e)通过遗传算法结合蒙特卡洛-分子动力学混合方法模拟得到的弛豫晶界超胞原子结构，附有垂直于晶界面的元素分布剖面图；VC表示空位团簇，黑色圆圈代表块体材料内部空位聚集形成的微孔。 图4中熵钙钛矿陶瓷的力学性能。(a)钙钛矿陶瓷的应力-应变曲线。(b,c)中熵钙钛矿陶瓷的断口形貌及(b1,c1)裂纹扩展路径。(d)钙钛矿陶瓷的维氏硬度与断裂韧性。(e,f)中熵钙钛矿陶瓷中的位错结构。(g);X波段电磁屏蔽效能(SE)、热阻率(1/κ)、抗弯强度(σ)、维氏硬度(HV)、断裂韧性(KIC)和杨氏模量(E)与其他钙钛矿陶瓷的性能对比。(h)高缺陷中熵钙钛矿陶瓷实现优异力学和电磁屏蔽性能的机理示意图。 论文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202502782
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