北理工在《Nature》《Science》連發(fā)5篇高水平理論文章
發(fā)布日期：2022-12-01 供稿：內(nèi)容來源于北京理工大學(xué)微信公眾號
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數(shù)：2022年下半年，北理工科研團(tuán)隊(duì)分別在鈣鈦礦太陽能電池研究、環(huán)二核苷酸和葉酸的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、構(gòu)筑MOF納米片膜、構(gòu)筑燃料電池多孔離聚物、構(gòu)筑異維結(jié)構(gòu)物質(zhì)等方面取得研究進(jìn)展，科研成果先后發(fā)表在《Nature》《Science》上，現(xiàn)將5篇高水平理論文章匯總?cè)缦拢责嬜x者。
《Science》刊發(fā)北理工鈣鈦礦太陽能電池研究新成果
11月18日 ，北京理工大學(xué)陳棋教授團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表文章。文章題為“Initializing Film Homogeneity to Retard Phase Segregation for Stable Perovskite Solar Cells”，揭示了鈣鈦礦薄膜材料初始均一性對薄膜及器件的穩(wěn)定性影響，并在此基礎(chǔ)上制備了高效穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池。北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳棋教授是文章的通訊作者，北京理工大學(xué)材料學(xué)院白陽副教授，北京大學(xué)博士生研究生黃子健，北京理工大學(xué)2018級碩士研究生章驍、盧九州，2019級博士研究生牛秀秀是文章的共同第一作者。本工作的合作單位包括北京大學(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所、中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)院物理研究所、北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，以及北京曜能科技有限公司。
光伏發(fā)電新能源技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)有重要意義。近年來，基于有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦的光電太陽能電池器件取得了飛速的發(fā)展，目前報(bào)道的最高光電轉(zhuǎn)化效率已接近26%，而器件穩(wěn)定性是其產(chǎn)業(yè)化成敗的關(guān)鍵。
由于其豐富的組分空間，混合組分鈣鈦礦在材料半導(dǎo)體性能調(diào)控，和提升器件效率及穩(wěn)定性方面優(yōu)勢突出。然而，由于多組分的引入，材料生長過程中會出現(xiàn)多相競爭問題，導(dǎo)致薄膜初始組分分布不均一。論文作者首先研究了混合陽離子鈣鈦礦薄膜不均一性的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜在納米尺度的不均一位點(diǎn)會在外界刺激下快速發(fā)展，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的組分分布差異化（圖1），最終形成熱力學(xué)穩(wěn)定的物相分離，并貫穿整個(gè)鈣鈦礦薄膜，造成材料退化和器件失活。
圖1 （A-H）鈣鈦礦薄膜的組分初始分布和在外界刺激下的演變行為。（I-N）熱力學(xué)驅(qū)動下，鈣鈦礦薄膜的物相分離現(xiàn)象。
盡管已經(jīng)有相關(guān)報(bào)道分別針對微納米尺度的相分離熱動力學(xué)和原子尺度的元素遷移行為開展了研究，但目前尚缺乏一個(gè)統(tǒng)一的模型將離子、原子的個(gè)體行為與薄膜的宏觀行為放在一個(gè)統(tǒng)一的語境下進(jìn)行系統(tǒng)研究。針對這一問題，論文作者基于經(jīng)濟(jì)學(xué)和物理學(xué)中研究群體行為的謝林模型，發(fā)展了可用于模擬鈣鈦礦中離子遷移聚集行為的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合密度泛函理論的預(yù)測和實(shí)驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)，對薄膜相分離行為進(jìn)行了半定量的分析。如圖2所示，模型的模擬結(jié)果表明，鈣鈦礦薄膜初始均一性對薄膜的老化行為有顯著影響，薄膜均一性的提升將顯著減緩其老化速率。
圖2 （A）鈣鈦礦薄膜相分離的理論計(jì)算。（B-F）鈣鈦礦薄膜老化過程的謝林模型模擬。
以模型預(yù)測結(jié)果為指導(dǎo)，作者通過在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中引入弱配位的添加劑硒酚，有效調(diào)控了溶液膠體環(huán)境，提升了薄膜均一性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，均一性提升的薄膜在熱、光老化條件下，表現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)未出現(xiàn)顯著的物相分離（圖3）。同時(shí)，經(jīng)過進(jìn)一步的器件優(yōu)化，所制備的太陽能電池器件展現(xiàn)了良好的光電性能，在1 cm2器件上，獲得了23.7%的認(rèn)證效率。在不同溫度條件下，器件在LED光源持續(xù)照射下，也表現(xiàn)了良好的工作穩(wěn)定性。
圖3 （A）鈣鈦礦薄膜相分離的理論計(jì)算。（B-F）鈣鈦礦薄膜老化過程的謝林模型模擬。
此外，關(guān)于均一性起始狀態(tài)的相關(guān)結(jié)論能夠從混合陽離子體系進(jìn)一步拓展到混合陰離子體系中。論文作者制備了具有不同初始均一性的混合陰離子鈣鈦礦薄膜，并研究其老化過程，拓展了“提升鈣鈦礦薄膜組分分布均一性，有助于提高薄膜和器件穩(wěn)定性”這一結(jié)論的普適性（圖4）。該論文發(fā)展了謝林模型，在原子尺度的離子移動與微納米級別的相分離之間建立了橋梁，將材料起始均一性與器件穩(wěn)定性聯(lián)系在了一起，為提高鈣鈦礦材料與光伏器件的穩(wěn)定性提供了新的思路，也為制備高效穩(wěn)定的鈣鈦礦光電子器件提供了理論基礎(chǔ)。
圖4 （A-H）混合陰離子鈣鈦礦薄膜的老化行為研究。
《Nature》發(fā)表北理工揭示環(huán)二核苷酸和葉酸的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制
10月20日，北京理工大學(xué)生命學(xué)院高昂團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院生物物理所張立國團(tuán)隊(duì)、高璞團(tuán)隊(duì)合作在Nature上發(fā)表文章。文章題為“Recognition of cyclic dinucleotides and folates by human SLC19A1”，揭示了溶質(zhì)載體家族蛋白SLC19A1識別環(huán)二核苷酸、葉酸和抗葉酸的分子機(jī)制。這項(xiàng)研究將有助于SLC19A1相關(guān)疾病的機(jī)理分析和潛在藥物的開發(fā)及優(yōu)化。北京理工大學(xué)博士后朱亞蘭為本文的共同第一作者，高昂教授為共同通訊作者，北京理工大學(xué)為共同通訊單位。
SLC19A1是人體內(nèi)關(guān)鍵的環(huán)二核苷酸、葉酸和抗葉酸藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。環(huán)二核苷酸是廣泛存在于自然界中的重要的第二信使分子，由天然免疫受體cGAS在感知細(xì)胞質(zhì)異常DNA信號后催化產(chǎn)生，進(jìn)而結(jié)合并激活接頭蛋白STING，從而引發(fā)細(xì)胞內(nèi)廣譜的天然免疫反應(yīng)。葉酸是維生素B家族的一員，是機(jī)體基礎(chǔ)代謝中一種重要的營養(yǎng)成分?？谷~酸藥物如培美曲塞（PMX）、甲氨蝶呤（MTX）等，可以抑制腫瘤細(xì)胞中的葉酸代謝，因此在癌癥治療中發(fā)揮巨大的作用。鑒于SLC19A1在環(huán)二核苷酸、葉酸以及抗葉酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中的重要功能，對其底物識別機(jī)制的研究將有助于SLC19A1相關(guān)疾病的機(jī)理分析和潛在藥物的開發(fā)及優(yōu)化。
SLC19A1轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)二核苷酸和葉酸類分子示意圖
該研究通過冷凍電鏡結(jié)合抗體輔助的方法解析了SLC19A1向細(xì)胞內(nèi)側(cè)開口（inward-open）的無底物狀態(tài)電鏡結(jié)構(gòu)以及SLC19A1與哺乳動物內(nèi)源環(huán)二核苷酸（2'3'-cGAMP）、細(xì)菌來源的代表環(huán)二核苷酸（3'3'-CDA）和臨床環(huán)二核苷酸藥物（2'3'-CDAS）等多個(gè)復(fù)合物inward-open狀態(tài)的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)SLC19A1是由12根跨膜螺旋（TM）組成的經(jīng)典MFS折疊轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，三種環(huán)二核苷酸分子都以精巧的二聚體單元形式結(jié)合在SLC19A1的極性腔底部。這是SLC以及MFS家族蛋白的一種全新的底物識別模式。
此外，該研究還利用另一組鼠源單抗，解析了SLC19A1與主要的還原型葉酸5-MTHF和新型抗葉酸藥物PMX復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。與環(huán)二核苷酸不同，這兩種葉酸類分子均以單體形式結(jié)合在SLC19A1極性腔的中上部。
該研究工作首次報(bào)道了人源SLC19A1識別多種環(huán)二核苷酸、葉酸和抗葉酸的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了SLC19A1識別不同底物的分子機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)將為相關(guān)疾病的機(jī)理研究和藥物開發(fā)提供指導(dǎo)。
《Science》刊發(fā)北理工MOF納米片膜研究成果
2022年10月21日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙之平教授團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表文章“High-flexible and superhydrophobic MOF nanosheet membrane for ultrafast alcohol-water separation”，提出了一種在聚合物基底中包埋晶種進(jìn)而通過表面晶體誘導(dǎo)生長法精確構(gòu)筑MOF納米片膜的新構(gòu)想，在聚合物基底表面實(shí)現(xiàn)了高柔性超疏水MOF膜的層次構(gòu)建，解析了納米片的晶體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的傳質(zhì)通道，揭示了聚合物與納米片層在分離過程中的協(xié)同機(jī)制，突破了柔性MOF膜制備瓶頸，為規(guī)?；苽浜蛻?yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。該工作的第一作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生徐李昊、李申輝，通信作者為趙之平和馮英楠，北京理工大學(xué)是該工作的唯一完成單位。
分離過程是化學(xué)工業(yè)中能耗、投資、成本最集中的環(huán)節(jié)，占投資和成本的40-70%，占世界能耗的10%以上，也是能源、環(huán)境、食品和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域不可或缺的環(huán)節(jié)。滲透汽化膜分離技術(shù)可節(jié)能30-60%，高效節(jié)能特點(diǎn)顯著，不僅是一種支撐可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也在我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。突破分離膜在滲透性和選擇性之間存在的“trade-off”博弈效應(yīng)，研發(fā)高性能分離膜是膜科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域科學(xué)家不懈的追求。
近年來，基底負(fù)載的異質(zhì)外延金屬有機(jī)骨架（MOF）膜在分離方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力?，F(xiàn)有方法多在剛性無機(jī)基底上制備MOF膜，為突破膜放大制備難度大、膜組件加工制作靈活性差的技術(shù)瓶頸，趙之平教授團(tuán)隊(duì)從解決制約技術(shù)瓶頸的科學(xué)問題入手，制備出了一種高柔性MOF納米片（MOF-NS）膜。
為解決MOF層與聚合物基底之間的表界面結(jié)合問題，研究團(tuán)隊(duì)將ZIF-8晶種共混到聚合物鑄膜液中，并采用非溶劑致相分離（NIPS）法，巧妙地制備了聚合物基底內(nèi)嵌入“芽狀”晶種的聚偏氟乙烯膜（SEEDS/PVDF）。嵌入聚合物基底的“芽狀”晶種不僅成為MOF納米片與聚合物連接的“錨點(diǎn)”，其獨(dú)特的花瓣?duì)钇Y(jié)構(gòu)也為納米片生長奠定基礎(chǔ)。以此為基底通過誘導(dǎo)MOF限域生長，調(diào)控制備出了完整蜂窩狀MOF納米片膜（MOF-NS/PVDF）。通過X射線衍射（XRD）和蒙特卡洛分子模擬方法解析了MOF納米片的晶體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的傳質(zhì)通道，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以厚度為0.525 nm的[Zn2(MeIm)4]n為網(wǎng)格狀平面，包含0.435 nm的亞納米級層間通道，揭示了ZIF-8晶種在NIPS法成膜過程中發(fā)生了晶格畸變。
圖1 MOF-NS/PVDF膜的結(jié)構(gòu)及制備方法：（A）膜的表面形貌（從SEEDS/PVDF基底分別經(jīng)過1 h、3 h和6 h生長后制備得到MOF-NS/PVDF膜）；（B）SEEDS/PVDF膜和MOF-NS/PVDF膜的制備示意圖；（C）PVDF膜、SEEDS/PVDF膜、MOF-NS/PVDF膜和模擬的[Zn2(MeIm)4]n膜的XRD譜圖。
圖2 MOF-NS層間分子傳遞通道: （A）Zn2(MeIm)4的層間通道和孔徑大?。唬˙）MOF-NSHR-TEM圖像；（C）MOF-NS的層狀結(jié)構(gòu)和層間通道。
在電子顯微鏡下，通過調(diào)節(jié)觀測區(qū)域的電子束轟擊密度，首次捕捉到MOF納米片的可逆柔性形變（即納米片的扭轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)和搖擺），納米片厚度約13 nm。MOF納米片在透射電鏡下展現(xiàn)出不同于ZIF-8的良好晶格結(jié)構(gòu)，蜂窩狀MOF納米片的片層結(jié)構(gòu)和其內(nèi)部連續(xù)通道，使其在滲透汽化過程中展現(xiàn)了超高滲透性。
圖3 MOF-NS/PVDF膜的高柔性結(jié)構(gòu)：（A）MOF-NS/PVDF膜柔性可逆動態(tài)形變過程的SEM圖像（包括翻轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)和搖擺）；（B）MOF-NS/PVDF膜柔性可逆動態(tài)形變示意圖；（C）MOF-NS/PVDF膜的彎曲測試；（D）MOF-NS/PVDF膜在彎曲后表面和斷面的SEM圖像。
MOF納米片膜（MOF-NS/PVDF）經(jīng)聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液滴涂改性，形成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的PDMS涂層，不僅修復(fù)了MOF納米片間的分子尺度缺陷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了膜表面特性從超親水到超疏水（水接觸角158.3°）的轉(zhuǎn)變，構(gòu)建了兼具超疏水表面特性和膜內(nèi)MOF-NS快速分子擴(kuò)散通道的雙功能膜（PDMS/MOF-NS/PVDF）。
圖4 PDMS改性MOF-NS/PVDF膜的制備工藝、結(jié)構(gòu)及表面特性：（A）滴涂改性過程示意圖；（B）滴涂改性前后膜表面微觀形貌變化。
PDMS/MOF-NS/PVDF復(fù)合膜滲透汽化分離測試及分子模擬揭示了PDMS與MOF納米片層在乙醇-水分離過程中的協(xié)同作用機(jī)制：首先，親有機(jī)物的PDMS層阻礙水分子溶解滲透而使醇分子優(yōu)先溶解透過；MOF納米片中片層結(jié)構(gòu)的二甲基咪唑選擇性吸附透過PDMS的醇分子，形成二次選擇提高分離因子，同時(shí)其內(nèi)部的連續(xù)孔道結(jié)構(gòu)成為分子傳遞的快速通道，減小了分子傳遞阻力。此外，蜂窩狀結(jié)構(gòu)的膜表面增加了與料液的有效接觸面積，促進(jìn)滲透通量提升。在分離過程中，亞納米級通道對較大分子丁醇展現(xiàn)了分子篩分截留作用。在聚合物基底構(gòu)建的PDMS-MOF納米片復(fù)合層，不僅強(qiáng)化了膜內(nèi)分子傳質(zhì)，也有效促進(jìn)近膜表面流體湍動、降低了滲透汽化過程的濃差和溫差極化現(xiàn)象，進(jìn)而顯著提高了復(fù)合膜的分離性能，滲透通量和分離因子分別是傳統(tǒng)方法制備的PDMS/PVDF膜的13.6倍和1.2倍。
圖5 膜PV性能以及膜表面形態(tài)對進(jìn)料液流動行為的影響：（A）40 oC下分離5 wt%乙醇水溶液膜的PV性能；（B）PV分離性能對比；（C）膜長時(shí)穩(wěn)定性；（D-E）膜表面的流動行為。
注：該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目以及北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動計(jì)劃的支持。
《Science》發(fā)表！突破固有思維，北理工首次構(gòu)筑燃料電池多孔離聚物
2022年10月14日，北京理工大學(xué)王博教授團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表文章“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”，在氫能領(lǐng)域針對燃料電池核心膜電極（MEA）氣固液三相界面中離子導(dǎo)通，氣、水輸運(yùn)和電催化的問題，首次提出并構(gòu)筑了適用于燃料電池催化層的多孔共價(jià)有機(jī)框架（COF）離聚物。多孔框架離聚物（Porous Ionomer）概念的提出突破了傳統(tǒng)鏈狀離聚物的束縛，可顯著提高催化層的傳質(zhì)效率，大幅提高燃料電池的功率密度，使得鉑碳（Pt/C）催化劑的質(zhì)量活性和燃料電池的峰值功率密度均提高了1.6倍。該工作的第一作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士后張慶暖，通信作者為王博和馮霄，北京理工大學(xué)是該工作的第一作者和唯一通訊作者單位。
碳中和目標(biāo)下，發(fā)展氫能技術(shù)已成為必然趨勢。質(zhì)子交換膜燃料電池作為氫能規(guī)模利用的端口，是最有應(yīng)用前景的氫能利用方式之一。而實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵在于開發(fā)高性能、低成本的膜電極材料。催化層由Pt/C催化劑和離聚物構(gòu)成的，其作為膜電極的核心，是燃料電池中電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所。為保證電化學(xué)反應(yīng)的效率，催化層需要同時(shí)為反應(yīng)所需的質(zhì)子、反應(yīng)氣體提供可以到達(dá)催化劑的通道，同時(shí)能夠輸運(yùn)反應(yīng)生成的水分子。目前，催化層中使用的離聚物為鏈狀全氟磺酸樹脂（PFSA，Nafion），可實(shí)現(xiàn)質(zhì)子的快速傳導(dǎo)。但與此同時(shí)，Nafion會對Pt催化劑造成過度包裹，導(dǎo)致較大的氣體阻力和低的催化活性位點(diǎn)利用率，從而導(dǎo)致催化劑性能無法得到充分發(fā)揮。
針對上述問題，論文作者提出構(gòu)筑多孔框架離聚物的策略，優(yōu)化催化劑表面的氣固液三相界面，實(shí)現(xiàn)了高性能低鉑含量的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)。作者在框架化學(xué)的指導(dǎo)下，將有機(jī)基元通過共價(jià)鍵連接，精準(zhǔn)定制合成了多孔框架二維聚合物，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和抗溶脹能力。所得的二維聚合物平面結(jié)構(gòu)，由六邊形骨架在二維方向上無限周期性延展組成，在六邊形骨架內(nèi)部利用磺酸基懸臂提供高的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，其剩余的空間能夠?yàn)檠鯕夂退峁┳銐虻耐反龠M(jìn)傳輸。在使用商用Pt/C作為陰極催化劑，且催化劑含量僅有0.07 mgPt cm?2的條件下，采用多孔COF離聚物使得Pt/C催化劑的質(zhì)量活性和燃料電池的峰值功率密度均提高了1.6倍，H2-Air峰值功率密度達(dá)到1.08 W cm?2。
圖1 燃料電池中Pt/C@COF-Nafion催化層及其作用機(jī)理示意圖
文章中詳細(xì)探討了多孔COF離聚物在燃料電池催化層中的作用機(jī)制，分析了介孔COF納米片對催化層中氣體擴(kuò)散、質(zhì)子傳輸和水管理的影響。相較傳統(tǒng)的鏈狀離聚物，多孔COF離聚物具有以下優(yōu)勢：
1）利于氣體傳質(zhì)。添加多孔COF離聚物后，H2-air電池中極限電流密度下O2的傳質(zhì)阻力降低了40%。氧氣滲透測試表明，COF與Nafion混合基質(zhì)膜的氧氣滲透性比純Nafion膜有了顯著提升，并可以在濕度下仍維持氣體通過能力。
2）高質(zhì)子傳導(dǎo)性、優(yōu)化水管理。多孔COF離聚物的質(zhì)子傳導(dǎo)率略高于Nafion，其孔道結(jié)構(gòu)和吸放水的能力既有利于抑制高功率密度下水淹現(xiàn)象的發(fā)生，又可以在低濕度下助力燃料電池展現(xiàn)出較好的性能。
3）緩解催化劑毒化作用。多孔COF納米片產(chǎn)生的空間位阻作用顯著降低了離聚物對Pt/C催化劑的過度包裹，緩解了磺酸基和Pt之間的直接接觸，有助于暴露出更多的Pt活性位點(diǎn)，增加了電化學(xué)活性表面積，提高了催化劑的質(zhì)量活性。
圖2 基于商用Pt/C催化劑的MEA的陰極Pt負(fù)載量和峰值功率密度與文獻(xiàn)數(shù)值的比較
通過多孔離聚體的設(shè)計(jì)理念，即在不犧牲質(zhì)子傳導(dǎo)性的條件下引入具有豐富介孔的剛性開發(fā)框架納米片，可大幅提升燃料電池的性能。在超低鉑的含量下，其功率密度達(dá)到了新的記錄，這意味著有望將產(chǎn)生1kW電的費(fèi)用降低三分之一左右。此外，美國能源部（DOE）設(shè)定的2025年的目標(biāo)是將膜電極中鉑族金屬總含量降至0.1 g kW?1。使用多孔COF離聚物優(yōu)化催化層的結(jié)構(gòu)之后，商業(yè)催化劑即可接近這個(gè)目標(biāo)。
COF良好的熱穩(wěn)定性、酸堿穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性也使其在高溫燃料電池或堿性燃料電池中同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。多孔COF離聚物的設(shè)計(jì)策略對優(yōu)化燃料電池催化層的ORR三相微環(huán)境具有里程碑的意義。
注：本研究還得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然基金委面上項(xiàng)目、優(yōu)青項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
《Nature》發(fā)表！首次構(gòu)筑“異維超結(jié)構(gòu)”，北理工突破傳統(tǒng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)知！
2022年8月31日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院周家東教授、姚裕貴教授，北京大學(xué)吳孝松教授，日本Kazu Suenaga教授和南洋理工大學(xué)劉政教授在Nature上發(fā)表文章《Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect》，首次提出并構(gòu)筑出全新的異維結(jié)構(gòu)物質(zhì)，并基于該物質(zhì)觀察到室溫面內(nèi)反?；魻栃?yīng)，該結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)筑突破了對傳統(tǒng)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，為新物質(zhì)和新奇物性研究開創(chuàng)了新的方向。
超晶格結(jié)構(gòu)一般是由不同的母體材料按照一定的周期排列形成一種不同于母體材料的新物質(zhì)，該新結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有望表現(xiàn)出母體所不具有的新奇物性，如鐵磁、鐵電和超導(dǎo)等，在電子、光電子和新型信息器件領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的超晶格結(jié)構(gòu)主要是由相同維度物質(zhì)按照一定的排列組合方式形成，如3D-3D、2D-2D以及1D-1D結(jié)構(gòu)等。同時(shí)這些傳統(tǒng)的超晶格結(jié)構(gòu)主要是使用分子束外延方法制得。
二維（2D）材料的發(fā)現(xiàn)為構(gòu)筑新型超晶格結(jié)構(gòu)提供了新的可能。結(jié)構(gòu)構(gòu)筑是指將不同的2D材料和其他結(jié)構(gòu)的材料通過人工構(gòu)筑或者化學(xué)氣相沉積方法構(gòu)筑出插層或不同維度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，縱觀超晶格結(jié)構(gòu)從1970年提出及制備至今，由不同維度物質(zhì)組成的本征超晶格結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)尤其困難。針對這一難題，周家東教授等首次提出并實(shí)現(xiàn)了一種全新的異維超晶格結(jié)構(gòu)，該異維超結(jié)構(gòu)由2D VS2和1D VS相互交叉排列，形成全新的2D - 1D的本征異維超結(jié)構(gòu)形式?；谠撐镔|(zhì)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，超結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出室溫面內(nèi)大反?；魻栃?yīng)。這一新的發(fā)現(xiàn)開啟了構(gòu)筑新物質(zhì)、發(fā)現(xiàn)新物性的全新方向。
圖1 VS2-VS異維超結(jié)構(gòu)的制備與光學(xué)等表征結(jié)果
有別于傳統(tǒng)超晶格結(jié)構(gòu)的制備，該新型異維超結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)具有里程碑意義：
1）制備方法突破：傳統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)的制備多使用分子束外延方法；以2D材料為母體材料的超結(jié)構(gòu)的制備多為人工構(gòu)筑，這導(dǎo)致材料界面干凈整潔度等較難控制，無法觀察到物質(zhì)的本征特性，該超結(jié)構(gòu)的一步法VLS生長機(jī)制為構(gòu)筑新物質(zhì)提供了方向。
2）材料認(rèn)知突破：由2D材料和1D線周期性相互交疊形成穩(wěn)定的異維超結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的厚度可以調(diào)整，從幾十納米到幾納米都可以實(shí)現(xiàn)。突破傳統(tǒng)超結(jié)構(gòu)物質(zhì)只能形成有相同維度物質(zhì)或者不同物質(zhì)的簡單插層，推動了物質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展。
圖2 異維VS2-VS超晶體的原子結(jié)構(gòu)
3）新奇物性突破：由于1D VS的存在，并與2D VS2相互耦合，使得2D-1D異維超結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出完全不同于VS2、V5S8等物質(zhì)的室溫面內(nèi)大反?；魻栃?yīng)。推動了不同維度物質(zhì)之間的耦合，為實(shí)現(xiàn)新奇物性如室溫鐵磁半導(dǎo)體特性、高溫量子反?；魻栃?yīng)等提供可能。
圖3 VS2-VS異維超結(jié)構(gòu)的面內(nèi)反?；魻栃?yīng)
注：該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然基金委面上項(xiàng)目、國家青年人才計(jì)劃、國家自然基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、北京理工大學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目和省部級量子實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。
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