近日，成都師大科研團(tuán)隊(duì)在鋰電池容量恐怕、相變儲(chǔ)存元件的原子模擬、大氣污染物整治研究、富勒烯衍生物結(jié)合位點(diǎn)與穩(wěn)定性機(jī)制起源等方面取得新進(jìn)展。
目錄
01
石家莊交大梅雪松、徐俊團(tuán)隊(duì)在鋰電池容量恐怕領(lǐng)域取得系列新進(jìn)展
02
長(zhǎng)春工大材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中心成功實(shí)現(xiàn)相變儲(chǔ)存元件的原子模擬
03
長(zhǎng)春工大段培高院士團(tuán)隊(duì)在大氣污染物整治研究中取得新進(jìn)展
04
長(zhǎng)春工大侯高壘院士團(tuán)隊(duì)在富勒烯衍生物結(jié)合位點(diǎn)與穩(wěn)定性機(jī)制起源方面取得新進(jìn)展
梅雪松、徐俊團(tuán)隊(duì)
在鋰電池容量恐怕領(lǐng)域取得系列新進(jìn)展
研究背景
鋰離子電瓶憑著其優(yōu)異性能已被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、移動(dòng)機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、儲(chǔ)能場(chǎng)站等場(chǎng)景。在電瓶使用過(guò)程中，不可防止出現(xiàn)的非線性、強(qiáng)時(shí)變的容量衰減嚴(yán)重影響著電瓶性能。為確保電瓶工作的安全性和可靠性，快速確切的容量恐怕至關(guān)重要。但是，因?yàn)殡娖课锢怼⒊潆娔Ｊ健⒐ぷ黧w溫以及用戶(hù)習(xí)慣的變化，實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界條件下快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)健的在線容量恐怕飽含挑戰(zhàn)。
科研創(chuàng)新
針對(duì)上述問(wèn)題，重慶交通學(xué)院機(jī)械工程大學(xué)梅雪松、徐俊院士團(tuán)隊(duì)提出了一種基于單電流特點(diǎn)高斯過(guò)程回歸（GPR）的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，可在3分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)鋰離子電瓶變溫、非恒流充電快速容量恐怕。
該工作首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)生成了基于非恒流充電合同的電瓶老化數(shù)據(jù)集，針對(duì)非恒流充電開(kāi)發(fā)了可在3分鐘內(nèi)搜集的高質(zhì)量健康特點(diǎn)，結(jié)合GPR實(shí)現(xiàn)了快速容量恐怕。該技巧的平均容量恐怕偏差僅為0.65%，其精度相比傳統(tǒng)方式增強(qiáng)了60%以上。
同時(shí)，該工作提出了一種基于初期數(shù)據(jù)線性變換的氣溫遷移策略，可將25℃建立的模型低偏差（偏差減少30%以上）遷移至其他氣溫條件（如10℃和40℃）。該工作為實(shí)現(xiàn)非恒流、全溫域的鋰電池容量恐怕提供了新的解決方案。
圖1.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鋰離子電瓶變溫、非恒流充電快速容量恐怕方式
同時(shí)，部份充電曲線結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）恐怕電瓶容量已取得了可觀進(jìn)展。但是，因?yàn)榉稚⒌默F(xiàn)有研究，這種方式欠缺清晰的分類(lèi)、公平的比較以及性能的合理化。在此背景下，無(wú)錫交通學(xué)院梅雪松、徐俊院士團(tuán)隊(duì)從充電序列建立、輸入方式和ML模型三個(gè)角度開(kāi)發(fā)了20種容量恐怕方式用于對(duì)比研究，從44塊具有不同電瓶物理和工作條件的電瓶中生成了22582條充電曲線用于交叉驗(yàn)證。通過(guò)全面公正的比較，基于等距時(shí)間電流序列的長(zhǎng)短期記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)路表現(xiàn)出最佳的確切性和魯棒性。
在6503個(gè)測(cè)試樣本中，使用LSTM恐怕的容量的平均偏差為0.61%，最大偏差僅為3.94%。雖然降低3mV電流噪音或?qū)⑷娱g隔延長(zhǎng)至60秒，平均偏差一直高于2%。同時(shí)，該工作證明了兩種充電序列通過(guò)描述增量容量和差分電流曲線的單位面積變化來(lái)表征電瓶退化，從數(shù)學(xué)角度提高了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的推廣信心。這項(xiàng)工作為基于部份充電曲線恐怕電瓶容量的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式提供了深刻的洞察和有價(jià)值的指導(dǎo)。
圖2.基于部份充電曲線的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電瓶容量恐怕的對(duì)比研究
科研成果
論文題目
■《非恒流充電和變溫條件下數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電瓶容量快速恐怕方式》
（Afastdata-undernon-and）
■《基于部份充電曲線的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電瓶容量恐怕的對(duì)比研究》
（Astudyofdata-basedon）
發(fā)表刊物
■《儲(chǔ)能材料》
（）
■《能源物理》
（of）
論文鏈接
■
■
文章作者
重慶交通學(xué)院為惟一通信單位，論文第一作者為博士生林川平，通信作者為徐俊院士。
材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中心
成功實(shí)現(xiàn)相變儲(chǔ)存元件的原子模擬
研究背景
近幾年來(lái)，相變儲(chǔ)存器（PCRAM）已逐漸實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，包括基于三維堆疊技術(shù)的青州度相變儲(chǔ)存芯片以及高穩(wěn)定低幀率的嵌入式相變儲(chǔ)存芯片。PCRAM的核心材料是處于銻化鍺GeTe和碲化銻偽二元線上的鍺銻碲合金Ge–Sb–Te，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存借助的是該類(lèi)材料在其晶體相與非晶相之間快速可逆相變所造成的巨大內(nèi)阻差別。基于量子熱學(xué)原理的第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬（AIMD）是理解相變材料本征性質(zhì)、設(shè)計(jì)新型相變材料的有效手段。但是該方式僅限于數(shù)百至數(shù)千原子規(guī)格模型的研究，難以支撐實(shí)際元件規(guī)格體系的模擬。以三維堆疊芯片為例，其相變儲(chǔ)存單元的特點(diǎn)規(guī)格為20nm′20nm′40nm，包含超過(guò)53萬(wàn)個(gè)鍺銻碲原子，遠(yuǎn)超AIMD的估算極限。同時(shí)，因?yàn)橄嘧儾牧衔锢沓煞輳?fù)雜并且數(shù)據(jù)儲(chǔ)存過(guò)程中涉及多重結(jié)構(gòu)相變，基于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的傳統(tǒng)力場(chǎng)（forcefield）很難對(duì)其進(jìn)行確切的模擬。
科研創(chuàng)新
為了解決該問(wèn)題，重慶交通學(xué)院金屬材料硬度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中心張偉院士和牛津?qū)W院物理系L.院長(zhǎng)通力合作，借助先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技巧并基于高斯近似勢(shì)能GAP框架，開(kāi)發(fā)了一個(gè)適用于鍺銻碲合金的機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)能函數(shù)（-）。該勢(shì)能函數(shù)兼顧傳統(tǒng)力場(chǎng)的估算效率和量子熱學(xué)的估算精度，才能確切描述偽二元線上的任意組分的鍺銻碲合金的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及可逆相變過(guò)程。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)考慮了結(jié)構(gòu)相變?cè)斐傻拿芏茸兓⒚}沖形成的氣溫梯度、電場(chǎng)作用下的離子遷移過(guò)程以及結(jié)構(gòu)弛豫等影響，促使原子模擬愈加接近相變?cè)鎸?shí)的服役過(guò)程。如圖1b所示，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了三維堆疊芯片相變單元擦除過(guò)程所涉及的脈沖誘導(dǎo)融化過(guò)程的原子模擬。該方式具有特別高的擴(kuò)展性，可模擬元件界面對(duì)相變過(guò)程的影響，有助于進(jìn)一步優(yōu)化元件的規(guī)格與結(jié)構(gòu)。
圖1三維堆疊相變儲(chǔ)存芯片中相變單元的原子模擬，顏色深淺代表晶體融化程度
目前，該工作所得到的所有數(shù)據(jù)庫(kù)與勢(shì)函數(shù)均已開(kāi)源，開(kāi)源數(shù)據(jù)可以在平臺(tái)以及平臺(tái)免費(fèi)下載。
科研成果
論文題目
《相變儲(chǔ)存元件的原子模擬》
（-scaleofphase-）
發(fā)表刊物
《自然-電子學(xué)》
()
論文鏈接
文章作者
該項(xiàng)工作由博士生周宇星（第一作者）在張偉院士（通信作者）、馬恩院士以及L.院士（通信作者）的共同指導(dǎo)下完成。
授團(tuán)
段培高院士團(tuán)隊(duì)
在大氣污染物整治研究中取得新進(jìn)展
耗溫介質(zhì)瓷電容器
研究背景
化石燃料燃燒形成的氮氧化物（NOx）排放是全球環(huán)境問(wèn)題的直接誘因，NOx凈化技術(shù)也由于環(huán)境和人類(lèi)健康問(wèn)題得到快速發(fā)展。NO的選擇性催化氧化（SCO）是各類(lèi)NOx凈化技術(shù)的關(guān)鍵步驟，開(kāi)發(fā)具有更高的NO氧化活性的高效材料對(duì)于NOx凈化技術(shù)具有重要意義。前期貴金屬負(fù)載催化劑得到廣泛應(yīng)用，并且其昂貴的成本和極其稀缺限制了它們?cè)趯?shí)際中的廣泛應(yīng)用。近些年來(lái)，具有多價(jià)態(tài)和強(qiáng)儲(chǔ)氧能力的MnOx?CeO2三元復(fù)合材料在一系列氧化還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。同時(shí)，形貌和結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)也是影響NO催化氧化性能的重要指標(biāo)，核殼結(jié)構(gòu)納米材料因?yàn)槠涠鄻拥慕M成和結(jié)構(gòu)早已得到廣泛應(yīng)用。但是，錳基系統(tǒng)在實(shí)際煙氣應(yīng)用中的困局問(wèn)題是其抗SO2殘害能力較差，同時(shí)鈰基催化劑在高溫催化活性方面仍存在差別。
科研創(chuàng)新
為了解決這一問(wèn)題，重慶交通學(xué)院物理工程與技術(shù)大學(xué)段培高院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)將Mn2O3@CeO2氧化物的奇特性質(zhì)與核殼納米材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)合上去，制備了富集非對(duì)稱(chēng)氧空位且具有高活性和抗硫性的NO氧化催化劑Mn2O3@CeO2催化劑。相比對(duì)稱(chēng)性氧空位，非對(duì)稱(chēng)氧空位更有助于反應(yīng)物的吸附和產(chǎn)物的脫附。
圖1.(a)氧空位局部環(huán)境與其氧化還原性質(zhì)的關(guān)系(b)非對(duì)稱(chēng)富氧空位Mn2O3@CeO2的示意圖
通過(guò)NO催化氧化活性測(cè)試，發(fā)覺(jué)Mn2O3@CeO2催化劑在整個(gè)氣溫范圍（150-400℃）內(nèi)都表現(xiàn)出更高的脫硫活性，要優(yōu)于純Mn2O3、CeO2和商用Pt/Al2O3催化劑。Mn2O3@CeO2在所研究的材料中表現(xiàn)出最低的表觀活化能（Ea=22.4kJ/mol）鍺與量子通訊，表明NO分子在Mn2O3@CeO2材料表面更容易進(jìn)行。值得注意的是，現(xiàn)Mn2O3@CeO2催化劑在SO2環(huán)境下表現(xiàn)出良好的抗硫性能，在100-SO2的氛圍下活性沒(méi)有發(fā)生顯著改變，彰顯良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
圖2.(a，b)生成的樣品的NO轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)室溫的關(guān)系(c)曲線圖(d)Mn2O3@CeO2和Mn2O3催化劑的SO2抗性測(cè)試。反應(yīng)條件：NO=500ppm，O2=10vol%，N2平衡，總流量300mL·min-1，GHSV=90000h-1。
為了闡述分子吸附和反應(yīng)中間產(chǎn)物的產(chǎn)生，研究通過(guò)XPS、EPR和H2-TPR技術(shù)發(fā)覺(jué)Mn2O3內(nèi)核在包覆CeO2殼體之后會(huì)促使氧空位的生成；AC-STEM配套的EELS檢查手段給出了Mn2O3和CeO2界面存在氧空位的直觀證據(jù)。
圖3.制備樣品的XPS波譜：(a)Mn2p(b)Ce3d和(c)O1s軌道(d)高溫EPR波譜(e)制備樣品的H2-TPR(f)SAC-STEMHAADF圖象和(g)CeM4、5edge(h)MnL2、3-edge和(i)OK-edge在Mn2O3@CeO2樣品上的點(diǎn)掃描EELS波譜
科研成果
論文題目
《非對(duì)稱(chēng)氧空位富集型催化劑的高溫脫硫性能及抗硫性研究》
（-Mn2O3@CeO2forNOwithlow-andSO2-）
發(fā)表刊物
《應(yīng)用催化B-環(huán)境》
（B:）
論文鏈接
文章作者
論文以為武漢交通學(xué)院化工大學(xué)段培高院長(zhǎng)為主要通信作者，杭州交通學(xué)院化工大學(xué)為論文第一作者和通信作者單位。
侯高壘院士團(tuán)隊(duì)在
富勒烯衍生物結(jié)合位點(diǎn)與穩(wěn)定性機(jī)制起源方面取得新進(jìn)展
研究背景
1985年，、Kroto和Curl等發(fā)覺(jué)了一種由多邊形和多邊形組成的籠狀結(jié)構(gòu)全碳分子，由60個(gè)碳原子組成（C60），具有籃球一樣完美對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，并將其命名為巴克明斯特富勒烯（），是不僅石墨和金鋼石之外的碳的第三種同素異型體。這一發(fā)覺(jué)標(biāo)志著人類(lèi)揭露了富勒烯的神秘面紗，開(kāi)啟了富勒烯科學(xué)這一全新的研究領(lǐng)域，三位科學(xué)家為此獲1996年諾貝爾物理獎(jiǎng)。
富勒烯奇特的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)促使便于借助化學(xué)或物理方式對(duì)其進(jìn)行修飾，因而制備雜富勒烯、內(nèi)嵌富勒烯和外接富勒烯等多種類(lèi)型的富勒烯衍生物。這種富勒烯衍生物和富勒烯基碳材料在超導(dǎo)、儲(chǔ)氫、光伏電瓶、單分子元件以及醫(yī)學(xué)確診和醫(yī)治等領(lǐng)域均具有重要的基礎(chǔ)研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，天文學(xué)家在星體產(chǎn)生區(qū)、年輕星體、演化晚期星體、（前）行星狀星云以及星際介質(zhì)等多種天體環(huán)境中發(fā)覺(jué)了C60，顯示了C60富勒烯的無(wú)處不在和神奇魅力。
科研創(chuàng)新
近些年來(lái)，南京交通學(xué)院侯高壘院士聯(lián)合多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)鍺與量子通訊，借助自主發(fā)展的質(zhì)譜-波譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)，首次檢測(cè)得到了液相富勒烯-金屬?gòu)?fù)合物在6-25微米范圍的高分辨紅外譜，通過(guò)與空間望遠(yuǎn)鏡得到的天文觀測(cè)譜比對(duì)剖析，提出富勒烯-金屬?gòu)?fù)合物可潛在貢獻(xiàn)于星際未證認(rèn)紅外發(fā)射譜帶和彌散星際譜帶；并在此基礎(chǔ)上建立了數(shù)據(jù)集，為2021年發(fā)射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）搜索并剖析星際富勒烯相關(guān)物種提供了重要參考。
同時(shí)，在以富勒烯-金屬團(tuán)簇作為碳基負(fù)載型金屬催化劑的模型探求相關(guān)催化反應(yīng)活性位點(diǎn)和催化機(jī)制時(shí)發(fā)覺(jué)富勒烯的奇特幾何-電子效應(yīng)使其可作為“氫擺渡車(chē)”（幾何效應(yīng)）與“電子海棉”（電子效應(yīng)）推動(dòng)金屬催化。
但是，一個(gè)特別基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題仍有待回答：外來(lái)一個(gè)原子或官能團(tuán)，傾向于結(jié)合在巴基球表面的那個(gè)位置？依據(jù)巴基球的球?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)，外來(lái)原子將會(huì)有五個(gè)可能的結(jié)合位點(diǎn)：五元環(huán)中心、六元環(huán)中心、五元環(huán)與六元環(huán)共享橋鍵、六元環(huán)與六元環(huán)共享橋鍵和頂點(diǎn)，但結(jié)合在那個(gè)位置最穩(wěn)定？目前尚缺少直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
鑒于此，南京交通學(xué)院侯高壘院士聯(lián)合愛(ài)爾蘭自由電子激光光源FELIX和法國(guó)魯汶學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，借助Ar原子標(biāo)記的紅外光解離波譜技術(shù)（或稱(chēng)標(biāo)記波譜學(xué)）檢測(cè)了C60V+Ar在250–1700波數(shù)范圍的高分辨紅外譜。結(jié)合量化估算和分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員發(fā)覺(jué)Ar原子與C60V+之間的互相作用十分微弱，致使Ar標(biāo)記對(duì)C60V+的幾何結(jié)構(gòu)和震動(dòng)特點(diǎn)影響極小。通過(guò)進(jìn)一步的相像指數(shù)比對(duì)和異構(gòu)化路徑剖析，研究確定釩陽(yáng)離子結(jié)合在巴基球五元環(huán)上方的結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺(jué)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)也是理論估算預(yù)測(cè)的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性起源于巴基球與釩離子之間的軌道互相作用與靜電互相作用。該研究為探究富勒烯衍生物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)提供了一個(gè)可靠的實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)也為理解富勒烯與金屬之間的互相作用本質(zhì)提供了重要信息。
科研成果
論文題目
《五元環(huán)、六元環(huán)或橋位？金屬釩陽(yáng)離子在巴基球表面結(jié)合位點(diǎn)的確認(rèn)》
（,,or?theofaon）
發(fā)表刊物
《美國(guó)物理會(huì)志》（of）
論文鏈接
文章作者
長(zhǎng)春交通學(xué)院化學(xué)大學(xué)侯高壘院士設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)了該研究，為論文的通信作者，博士生徐健智為論文第一作者。參與此工作的有法國(guó)FELIX的Joost院士和Olga博士以及英國(guó)魯汶學(xué)院的Peter院士和Ewald院士（共同通信作者）。重慶交通學(xué)院化學(xué)大學(xué)和物質(zhì)非平衡合成與功能調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文的第一單位與通信作者單位。
