近日，成都師大科研團隊在鋰電池容量恐怕、相變儲存元件的原子模擬、大氣污染物整治研究、富勒烯衍生物結(jié)合位點與穩(wěn)定性機制起源等方面取得新進展。
目錄
01
石家莊交大梅雪松、徐俊團隊在鋰電池容量恐怕領(lǐng)域取得系列新進展
02
長春工大材料創(chuàng)新設(shè)計中心成功實現(xiàn)相變儲存元件的原子模擬
03
長春工大段培高院士團隊在大氣污染物整治研究中取得新進展
04
長春工大侯高壘院士團隊在富勒烯衍生物結(jié)合位點與穩(wěn)定性機制起源方面取得新進展
梅雪松、徐俊團隊
在鋰電池容量恐怕領(lǐng)域取得系列新進展
研究背景
鋰離子電瓶憑著其優(yōu)異性能已被廣泛應(yīng)用于電動汽車、移動機器人、可穿戴設(shè)備、儲能場站等場景。在電瓶使用過程中，不可防止出現(xiàn)的非線性、強時變的容量衰減嚴重影響著電瓶性能。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，因為電瓶物理、充電模式、工作體溫以及用戶習慣的變化，實現(xiàn)真實世界條件下快速、準確、穩(wěn)健的在線容量恐怕飽含挑戰(zhàn)。
科研創(chuàng)新
針對上述問題，重慶交通學院機械工程大學梅雪松、徐俊院士團隊提出了一種基于單電流特點高斯過程回歸（GPR）的數(shù)據(jù)驅(qū)動方式，可在3分鐘內(nèi)實現(xiàn)鋰離子電瓶變溫、非恒流充電快速容量恐怕。
該工作首次通過實驗生成了基于非恒流充電合同的電瓶老化數(shù)據(jù)集，針對非恒流充電開發(fā)了可在3分鐘內(nèi)搜集的高質(zhì)量健康特點，結(jié)合GPR實現(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)方式增強了60%以上。
同時，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)動的鋰離子電瓶變溫、非恒流充電快速容量恐怕方式
同時，部份充電曲線結(jié)合機器學習（ML）恐怕電瓶容量已取得了可觀進展。但是，因為分散的現(xiàn)有研究，這種方式欠缺清晰的分類、公平的比較以及性能的合理化。在此背景下，無錫交通學院梅雪松、徐俊院士團隊從充電序列建立、輸入方式和ML模型三個角度開發(fā)了20種容量恐怕方式用于對比研究，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證。通過全面公正的比較，基于等距時間電流序列的長短期記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)路表現(xiàn)出最佳的確切性和魯棒性。
在6503個測試樣本中，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隔延長至60秒，平均偏差一直高于2%。同時，該工作證明了兩種充電序列通過描述增量容量和差分電流曲線的單位面積變化來表征電瓶退化，從數(shù)學角度提高了數(shù)據(jù)驅(qū)動方式的推廣信心。這項工作為基于部份充電曲線恐怕電瓶容量的數(shù)據(jù)驅(qū)動方式提供了深刻的洞察和有價值的指導。
圖2.基于部份充電曲線的數(shù)據(jù)驅(qū)動電瓶容量恐怕的對比研究
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)動電瓶容量恐怕的對比研究》
（Astudyofdata-basedon）
發(fā)表刊物
■《儲能材料》
（）
■《能源物理》
（of）
論文鏈接
■
■
文章作者
重慶交通學院為惟一通信單位，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)計中心
成功實現(xiàn)相變儲存元件的原子模擬
研究背景
近幾年來，相變儲存器（PCRAM）已逐漸實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，包括基于三維堆疊技術(shù)的青州度相變儲存芯片以及高穩(wěn)定低幀率的嵌入式相變儲存芯片。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)儲存借助的是該類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?；诹孔訜釋W原理的第一性原理分子動力學模擬（AIMD）是理解相變材料本征性質(zhì)、設(shè)計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，難以支撐實際元件規(guī)格體系的模擬。以三維堆疊芯片為例，其相變儲存單元的特點規(guī)格為20nm′20nm′40nm，包含超過53萬個鍺銻碲原子，遠超AIMD的估算極限。同時，因為相變材料物理成份復雜并且數(shù)據(jù)儲存過程中涉及多重結(jié)構(gòu)相變，基于經(jīng)驗參數(shù)的傳統(tǒng)力場（forcefield）很難對其進行確切的模擬。
科研創(chuàng)新
為了解決該問題，重慶交通學院金屬材料硬度國家重點實驗室材料創(chuàng)新設(shè)計中心張偉院士和牛津?qū)W院物理系L.院長通力合作，借助先進的機器學習技巧并基于高斯近似勢能GAP框架，開發(fā)了一個適用于鍺銻碲合金的機器學習勢能函數(shù)（-）。該勢能函數(shù)兼顧傳統(tǒng)力場的估算效率和量子熱學的估算精度，才能確切描述偽二元線上的任意組分的鍺銻碲合金的復雜結(jié)構(gòu)特點以及可逆相變過程。
同時，團隊考慮了結(jié)構(gòu)相變造成的密度變化、脈沖形成的氣溫梯度、電場作用下的離子遷移過程以及結(jié)構(gòu)弛豫等影響，促使原子模擬愈加接近相變元件真實的服役過程。如圖1b所示，團隊實現(xiàn)了三維堆疊芯片相變單元擦除過程所涉及的脈沖誘導融化過程的原子模擬。該方式具有特別高的擴展性，可模擬元件界面對相變過程的影響，有助于進一步優(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)庫與勢函數(shù)均已開源，開源數(shù)據(jù)可以在平臺以及平臺免費下載。
科研成果
論文題目
《相變儲存元件的原子模擬》
（-scaleofphase-）
發(fā)表刊物
《自然-電子學》
()
論文鏈接
文章作者
該項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）的共同指導下完成。
授團
段培高院士團隊
在大氣污染物整治研究中取得新進展
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)境問題的直接誘因，NOx凈化技術(shù)也由于環(huán)境和人類健康問題得到快速發(fā)展。NO的選擇性催化氧化（SCO）是各類NOx凈化技術(shù)的關(guān)鍵步驟，開發(fā)具有更高的NO氧化活性的高效材料對于NOx凈化技術(shù)具有重要意義。前期貴金屬負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在實際中的廣泛應(yīng)用。近些年來，具有多價態(tài)和強儲氧能力的MnOx?CeO2三元復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，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，核殼結(jié)構(gòu)納米材料因為其多樣的組成和結(jié)構(gòu)早已得到廣泛應(yīng)用。但是，錳基系統(tǒng)在實際煙氣應(yīng)用中的困局問題是其抗SO2殘害能力較差，同時鈰基催化劑在高溫催化活性方面仍存在差別。
科研創(chuàng)新
為了解決這一問題，重慶交通學院物理工程與技術(shù)大學段培高院士團隊通過將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，制備了富集非對稱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。相比對稱性氧空位，非對稱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)非對稱富氧空位Mn2O3@CeO2的示意圖
通過NO催化氧化活性測試，發(fā)覺Mn2O3@CeO2催化劑在整個氣溫范圍（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XPS、EPR和H2-TPR技術(shù)發(fā)覺Mn2O3內(nèi)核在包覆CeO2殼體之后會促使氧空位的生成；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樣品上的點掃描EELS波譜
科研成果
論文題目
《非對稱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院化工大學段培高院長為主要通信作者，杭州交通學院化工大學為論文第一作者和通信作者單位。
侯高壘院士團隊在
富勒烯衍生物結(jié)合位點與穩(wěn)定性機制起源方面取得新進展
研究背景
1985年，、Kroto和Curl等發(fā)覺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個碳原子組成（C60），具有籃球一樣完美對稱的結(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)覺標志著人類揭露了富勒烯的神秘面紗，開啟了富勒烯科學這一全新的研究領(lǐng)域，三位科學家為此獲1996年諾貝爾物理獎。
富勒烯奇特的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)促使便于借助化學或物理方式對其進行修飾，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、儲氫、光伏電瓶、單分子元件以及醫(yī)學確診和醫(yī)治等領(lǐng)域均具有重要的基礎(chǔ)研究意義和實際應(yīng)用價值。同時，天文學家在星體產(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)覺了C60，顯示了C60富勒烯的無處不在和神奇魅力。
科研創(chuàng)新
近些年來，南京交通學院侯高壘院士聯(lián)合多個研究團隊鍺與量子通訊，借助自主發(fā)展的質(zhì)譜-波譜聯(lián)用實驗技術(shù)，首次檢測得到了液相富勒烯-金屬復合物在6-25微米范圍的高分辨紅外譜，通過與空間望遠鏡得到的天文觀測譜比對剖析，提出富勒烯-金屬復合物可潛在貢獻于星際未證認紅外發(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，在以富勒烯-金屬團簇作為碳基負載型金屬催化劑的模型探求相關(guān)催化反應(yīng)活性位點和催化機制時發(fā)覺富勒烯的奇特幾何-電子效應(yīng)使其可作為“氫擺渡車”（幾何效應(yīng)）與“電子海棉”（電子效應(yīng)）推動金屬催化。
但是，一個特別基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)問題仍有待回答：外來一個原子或官能團，傾向于結(jié)合在巴基球表面的那個位置？依據(jù)巴基球的球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，外來原子將會有五個可能的結(jié)合位點：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，但結(jié)合在那個位置最穩(wěn)定？目前尚缺少直接的實驗證據(jù)。
鑒于此，南京交通學院侯高壘院士聯(lián)合愛爾蘭自由電子激光光源FELIX和法國魯汶學院等研究機構(gòu)的科學家，借助Ar原子標記的紅外光解離波譜技術(shù)（或稱標記波譜學）檢測了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力學模擬，研究人員發(fā)覺Ar原子與C60V+之間的互相作用十分微弱，致使Ar標記對C60V+的幾何結(jié)構(gòu)和震動特點影響極小。通過進一步的相像指數(shù)比對和異構(gòu)化路徑剖析，研究確定釩陽離子結(jié)合在巴基球五元環(huán)上方的結(jié)構(gòu)為實驗中發(fā)覺的結(jié)構(gòu)。同時，該結(jié)構(gòu)也是理論估算預(yù)測的最穩(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)提供了一個可靠的實驗方案，同時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？金屬釩陽離子在巴基球表面結(jié)合位點的確認》
（,,or?theofaon）
發(fā)表刊物
《美國物理會志》（of）
論文鏈接
文章作者
長春交通學院化學大學侯高壘院士設(shè)計領(lǐng)導了該研究，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FELIX的Joost院士和Olga博士以及英國魯汶學院的Peter院士和Ewald院士（共同通信作者）。重慶交通學院化學大學和物質(zhì)非平衡合成與功能調(diào)控教育部重點實驗室為論文的第一單位與通信作者單位。