北理工张玉利特别研究员在UT-Dallas 24期刊《INFORMS Journal on Computing》发表最新研究成果

　　北理工管理与经济学院教师张玉利与美国加州大学伯克利分校申作军教授、清华大学宋士吉教授合作的研究成果“Exact Algorithms for Distributionally β-Robust Machine Scheduling with Uncertain Processing Times”在运筹与管理领域顶级期刊《INFORMS Journal on Computing》发表。张玉利特别研究员为本文第一作者。该刊为美国运筹学和管理学研究协会（INFORMS）季刊，是国际商学院研究能力评估参考的24本顶级期刊(UT-Dallas 24期刊)之一。 

　　该研究针对不确定性环境下的调度问题，提出了一种基于β-鲁棒准则的随机鲁棒优化模型，并创新性地提出了求解此类非线性离散优化模型的高效精确算法——参数搜索（Parametric Search）方法。该方法只需对一维参数空间进行搜索并求解少量的线性优化问题即可获得原问题的最优解，避免了传统方法在多高维离散空间进行分支定界的困难。在期望意义下，该方法具有多项式时间的计算复杂度。计算实验表明该方法可将现有算法效率提升几个数量级。

　　论文链接：https://pubsonline.informs.org/doi/abs/10.1287/ijoc.2018.0807

 

北理工李春教授团队在合成生物学顶级期刊发表“构建α-香树脂醇高产工程化酵母”研究成果

　　华体会体育化学与化工学院“生物转化与合成生物系统”研究团队李春教授课题组在合成生物顶级期刊《ACS synthetic biology》【2018, 7(10), 2391-2402】上发表了“构建α-香树脂醇高产工程化酵母”的研究成果。文章的第一作者是李春教授指导的天津大学化工学院博士生余源，北理工生命学院霍毅欣教授是本文的共通讯作者。

　　在本研究中，研究人员通过将α-香树脂醇合酶MdOSC1引入酿酒酵母中，同时增加（3S）-2,3-氧化角鲨烯的供应以实现高效生产α-香树脂醇，摇瓶产量达到11.97±0.61mg / L，是之前报道的最高产量的5.8倍。

三萜的生物合成

　　萜类化合物是植物次级代谢产物中最大的一个家族，广泛分布于自然界中，α-香树脂醇是植物当中重要的五环三萜，具有重要的生理和药理活性。α-香树脂醇是由(3S)-2,3-氧化鲨烯在氧化鲨烯环化酶蛋白家族α-香树脂醇合酶(α-AS)的催化下形成的。由于α-香树脂醇在植物中的含量极低，分离纯化步骤繁杂，目前尚未商业化开发生产。利用整合了高效α-AS的工程化酿酒酵母，可用作α-香树脂醇的可持续生产方案。

酿酒酵母中α-香树脂醇的生产途径

 

北理工胡峻教授在《Transactions of the AMS》上发表Wey模的基座的研究成果

　　华体会体育数学与统计学院胡峻教授在国际顶级学术期刊《Transactions of the American Mathematical Society》上发表了题为“Fayers’conjecture and the socle of cyclotomic Weyl modules”的研究论文。该论文研究了分圆Schur代数的分圆Weyl模的基座，证明了这些基座中的单模全部都是由Kleshchev多重剖分来参数化，并在此基础上证明了英国代数学家Fayers提出的关于Fock空间典范基的一个猜想。

　　分圆Schur代数涵盖了A型的Schur代数以及q-Schur代数作为它的特殊情形，它们在与代数群、量子群、李型有限群及Hecke代数相关的现代李理论中占据重要的地位。例如无限一般线性群以及A型量子群的多项式表示都可归结为Schur代数与q-Schur代数的表示，而有限一般线性群的幂幺表示也可归结到q-Schur代数的表示。分圆Weyl模是分圆Schur代数的一类最基本的表示，后者的每个不可约模都可以作为某个分圆Weyl模的单头，而研究不可约模是分圆Schur代数的表示理论中的核心问题。

　　分圆Weyl模的基座是指它们的最大半单子模。胡峻教授的上述论文在一个一般的“Schur对”的框架下证明了任意Weyl模的基座中的每个单模总是所研究代数的某个不可分解的投射且内射模的（唯一）单头。胡峻教授把这个理论应用到解决Fayers提出的关于Fock空间的典范基的一个猜想。

　　这一原创性成果进一步增进了人们对于Weyl模中合成因子重数这一核心问题的理解，该项工作中所使用的Z分次表示理论方法为研究Weyl模中合成因子重数开辟了新的途径，其中适用于一般“Schur对”的框架的Weyl模的基座理论有着广阔的应用前景，例如它能够应用到一些不同的场合包括抛物BGG范畴O、Harish-Chandra双模理论以及有理Cherednik代数的表示等。

　　论文链接：http://www.ams.org/journals/tran/0000-000-00/S0002-9947-2018-07551-1/home.html

　　

北理工朱蓉禅副教授在《The Annals of Probability》上发表ϕ_3^4动力模型格点逼近的研究成果

　　日前，华体会体育数学与统计学院朱蓉禅副教授在国际顶级学术期刊《The Annals of Probability》上发表了题为“Lattice approximation to the dynamical  model”的研究论文。该研究构造了以格点上场的逼近测度为不变分布的有限维系统收敛到动力模型。这对应于量子场论中重要的场格点逼近，由此可以得到动力模型以场为不变测度。

　　动力模型是对量子场论中基本模型场提出的随机量子化模型，即构造一个随机偏微分方程即动力模型使得当时间趋于无穷时方程的解依分布收敛到场。由此运用随机分析的方法研究场。动力模型是一类带有奇异噪声的随机偏微分方程，如何在d="3时给出方程解的适定性是公开了很多年的问题。

　　场的格点逼近是研究和构造场的一种重要方法，它保持了测度的铁磁本质和Osterwalder–Schrader公理。朱蓉禅副教授在上诉论文中运用拟控制分布首先研究了以格点上场的逼近测度为不变分布的有限维系统。动力模型可以看成是三维环面上的模型，因此要证明收敛性需要将格点系统模型延拓到环面上进行比较。这时延拓时会产生有限维投影算子，这个算子会导致拟控制分布中非常本质的交换子估计不成立，分析方法无法运用。这时朱蓉禅副教授及合作者在论文中将投影算子中余项部分运用概率计算的方法证明了收敛。

　　这一结果进一步增进了人们对于场动力系统及其格点逼近之间的关系。既可以用来联系场和动力模型，也可以用来构造与场对应的狄氏型，由此回答了以场为参考测度的二次型可闭的公开问题。

　　论文链接：https://projecteuclid.org/euclid.aop/1517821226

 

北理工方岱宁、陈浩森、宋维力团队在材料类顶级期刊Adv. Funct. Mater.上发表文章

　　2018 年11月17日，著名材料学期刊 《先进功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）在线报道了华体会体育先进结构技术研究院方岱宁院士，陈浩森副教授，和宋维力副教授合作领导研究的一种全新的基于电化学精确控制的，硅基电化学-力学-光学耦合仿生变色器件。该项研究基于全新的电化学-力学耦合变色调控机理，实现了可见光宽频段精确调控，并具有独特的彩色/银色切换功能。

通过模拟章鱼皮肤变色机理设计电化学精确调控变色硅膜

　　大自然中有多种能够自适应变色伪装的生物，以章鱼为例，当外界环境发生改变时，章鱼能够通过主动调控皮肤细胞中蛋白质的体积来改变光在不同界面的相位差，从而实现皮肤变色。方岱宁课题组通过设计具有稳定可逆膨胀的硅膜电极，模仿章鱼皮肤变色机理，巧妙地利用嵌锂电位（<1 V），精确控制锂离子在硅薄膜中的脱嵌行为，实现硅膜的高精度体积变化调控，改变硅膜结构对光线反射产生干涉消光条件，获得一系列绚丽色彩。值得一提的是，调控硅薄膜中的嵌锂程度，可以实现关闭或开启光线干扰作用，器件可以实现彩色至银色的切换功能。

　　该团队通过实验和理论模拟进一步研究了该仿生变色器件中的电化学力学耦合变色机理。采用椭偏仪测试了其不同锂化程度下的纳米硅薄膜的光学常数（折射率和消光系数），以及相对应的纳米硅薄膜的厚度，验证了锂化纳米硅薄膜的化学演化过程。通过建立光学理论模型，预测出不同嵌锂程度下的器件反射率，其预测结果和实验测试吻合，进一步验证了该仿生变色器件的调控机理。

光学理论模型建立

　　该仿生结构变色器件具有很强的设计应用前景，改变硅薄膜的初始厚度和导电集流体颜色，可以任意定制所需要的颜色调控范围。通过光刻技术，可以定制各种显色图案。并且，该变色系统和硅基锂离子电池具有良好的兼容性，在硅基锂离子电池的可视化实时监控中也有巨大的应用前景。

变色器件在光学显示中的应用

　　该项研究成果首次报道了纳米硅薄膜在嵌锂过程中的变色现象，揭示了其中的电化学力学耦合变色机理，设计制备了基于硅负极的仿生变色器件，为今后的仿生结构变色材料的研究开辟了一个全新的方向。该课题组研究人员认为，进一步优化变色薄膜的结构，可以实现更高稳定性的仿生结构变色器件。同时独特的电化学力学调控变色机理具有极强的普适性，可以适用于具有脱嵌锂体积收缩膨胀效应的其他材料。

 

北理工关于电力市场化改革研究方面的成果发表于《Energy Economics》期刊

　　能源与环境政策研究中心的研究成果《经济调度机制在煤电部门的节能潜力评估》(Economic dispatch savings in the coal-fired power sector: An empirical study of China)，发表于能源经济学的顶级期刊《Energy Economics》上。该项研究成果是由华体会体育能源与环境政策研究中心（CEEP-BIT）与剑桥大学能源政策研究组（Energy Policy Research Group，EPRG）共同合作完成，魏一鸣教授，陈浩博士、Chi Kong Chyong博士和康佳宁博士生是该文的主要作者，魏一鸣教授是该文的通讯作者。

　　电力部门是中国最大的煤炭消费部门和最大的二氧化碳排放来源，在应对气候变化过程中可以发挥关键作用。2015年3月，国务院发布了9号文，拉开了新一轮的电力市场化改革序幕。本轮电改的一项重要任务是有序放开发用电计划，以提高电力系统的运营效率和实现节能减排，从而提高电力系统发展的可持续性和电力消费的可支付性。世界上绝大部分国家的电力系统运行都是基于“经济调度”机制，而由于各种历史原因，中国当前的电力系统运行仍然沿袭着具有计划经济色彩的“行政调度”机制，产生了大量的资源浪费和环境污染。因此，为了给中国的电力市场化改革提供决策支撑和科学依据，魏一鸣教授领导的电力市场化改革研究团队联合剑桥大学的EPRG团队开展了此项研究。

六大区域电网煤电机组的燃料消耗率

　　本研究首先测算了中国六大区域电网内所有煤电机组的燃料消耗率，发现2014年中国煤电机组的燃料消耗率位于273.91 gce/kWh和348.38 gce/kWh之间。同时，无论是在省级电网层面、区域电网层面和全国层面，同一电力平衡区域内煤电机组的燃料消耗率均存在着不同程度的差异，说明了电力系统的调度机制改革存在着一定的节能空间。

煤电机组发电效率和年度运行小时数

　　基于测算出的煤电机组燃料消耗率，本研究分析了2014年中国装机容量超过1GW的所有煤电厂的机组发电效率与其年度运行小时数之间的相关性，发现有接近一半的省份的煤电机组处于低效运行的状态，即机组的发电效率越高，年度运行时间反而越少。由此，佐证了中国电力系统运行的低效率和实施经济调度机制的必要性。

经济调度机制实施后各省的煤炭节省比例（%）

　　以2014年中国煤电部门的实际数据为例，基于建立的煤电部门经济调度节能潜力评估模型，测算了如果中国在2014年实施经济调度机制后带来的节能潜力。发现经济调度的实施可以在全国层面上带来大约0.72亿吨标准煤的节省量，占当年发电总煤耗5.67%。同时，研究归纳总结出了煤电部门实施经济调度机制面临的挑战，包括不同所有权性质煤电厂的利益再分配冲突、跨区电力交易和产能过剩背景下的企业运营等。最后，基于国际经验提出了五点利于在中国煤电部门实施经济调度机制的政策建议。

　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.eneco.2018.06.017

 

北理工张军勇特别研究员在《Mathematische Zeitschrift》上发表含反平方位势薛定谔算子的研究成果

　　日前，华体会体育数学与统计学院张军勇特别研究员与及其合作者在国际数学顶级学术期刊《Mathematische Zeitschrift》上发表了题为“Sobolev spaces adapted to the Schrödinger operator with inverse-square potential”的研究论文。该论文通过建立含反平方位势薛定谔算子所对应的Littlewood-Paley 理论、乘子定理、Hardy 不等式等调和分析工具，证明了含反平方位势薛定谔算子在L^p框架下的Sobolev空间与经典的Sobolev空间的等价性。

　　含反平方位势薛定谔算子的研究兴趣主要来源于数学和物理两方面。在物理上，该算子同含库伦位势的狄拉克方程、以及Schwarzschild和Reissner-Nordström黑洞中度量的扰动的研究紧密联系。在数学方面，反平方位势与拉普拉斯算子具有相同的伸缩不变性，含反平方位势薛定谔算子在很多理论研究中引起众多学者的研究。 算子的谱理论和调和分析工具是研究该算子所对应描述物理现象方程的核心工具，因此该研究成果为后续研究波的奇性传播奠定了基础，例如黑洞中波的传播。

　　张军勇特别研究员及其合作者的上述论文在充分考虑反平方位势的影响下，证明了通过含反平方位势薛定谔算子所定义的Sobolev空间与拉普拉斯算子所定义的Sobolev空间范数模等价，但在L^p框架下p的范围受到了反平方位势的严重影响。除此之外，张军勇特别研究员在关于反平方位势薛定谔算子和色散方程方面开展了一系列研究。在本论文完成之前，与合作者在 [J. Funct. Anal. 267(2014), 2907-2932]研究了欧氏空间中含反平方位势能量次临界非线性薛定谔方程解的整体适定性理论和散射理论，这个结果是满足伸缩变换不变，但不满足平移不变的非线性色散方程模型的首个散射理论。 受这个结果启发，进一步获得本论文的研究结果。

　　这一原创性成果进一步增进了人们对于奇性位势在薛定谔算子和方程中解长时间行为这一核心问题的理解，该项工作中研究Sobolev范数等价性的方法适用于一般满足热核估计算子，该结果同时也是研究该类非线性色散方程的重要工具。

　　论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00209-017-1934-8

 

北理工杨帆教授、刘铖铖研究员和张力达副教授在《物理评论快报》期刊上发表关于魔角石墨烯超导机理的最新研究成果

　　2018年11月21日，华体会体育物理学院由杨帆教授牵头，刘铖铖研究员、张力达副教授合作在物理学最顶级的权威期刊《Physical Review Letters》上发表了题为“Chiral Spin Density Wave and d+id Superconductivity in the Magic-Angle-Twisted Bilayer Graphene”的研究论文。这篇论文对于今年新发现的魔角双层石墨烯中的非常规高温超导现象提出一种新的理论机制，获得国际学术界的广泛认同和跟进，成为目前该研究领域的重要理论之一（在Google Scholar上已被引用21次）。

　　今年三月，美国麻省理工学院博士生曹源与其导师Jarillo-Herrero等人在Nature发表背靠背长文，以报道他们在其新近合成的魔角双层石墨烯中所发现的非常规高温超导现象，在整个凝聚态物理领域引起了广泛的关注。目前，该体系的超导机理尚不明确。北理工杨帆教授等通过细致分析实验现象，首次提出“交换密度波涨落”的超导机理。基于此观点，他们首次采用微扰论对材料的宏观性质作了系统的微观理论计算，得到的结果和实验观测的多个方面定性符合。该观点受到魔角石墨烯研究领域的广泛认同和跟进，成为该研究领域目前最具影响力的观点之一。同时，论文首次将平带中的Van-Hove 奇异性与费米面嵌套（FS-nesting）和曹源等人在实验中看到的现象联系起来。这一开创性的观点在该领域得到了之后大多数研究组的认同和采纳。

材料的低能等效晶体结构、能带结构与态密度曲线

材料包括磁性和超导的相图，以及超导能隙函数

　　论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.217001

 

北理工前沿交叉院王博教授在Angew. Chem. Int. Ed.期刊发表重要研究成果

　　近日，在华体会体育王博教授、陈世稆教授和马小杰助理教授团队（共同通讯作者）带领下，提出了一种含铁金属有机框架MIL-100（Fe），用于去除臭氧。相关成果以题为“An Iron-Containing Metal–Organic Framework as a Highly Efficient Catalyst for Ozone Decomposition”发表在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

　　MIL-100（Fe）在室温下相对湿度为45％，空间速度为1.9×105 h^-1时，在100小时内具有100％的持久臭氧转化效率，远远超出大多数的性能，显示出优异且稳定的催化效率。该MOF优于许多吸附剂和催化剂，如活性炭和α-MnO2（12小时后分别降至臭氧分解的18％和60％）。更重要的是，团队发现水在MOF催化臭氧分解中起协同作用，即使在极端潮湿的条件下（例如> 90％RH）也能实现完全去除臭氧。

MIL-100（Fe）作为臭氧分解的催化剂

　　为了进一步的实际应用，团队还用热压（HoP）法对MIL-100（Fe）进行了加工，制造了一种基于MOF的催化过滤器；作为口罩上的过滤器，它显示了对低浓度臭氧几乎完全的保护。本研究证明了MOF在臭氧污染控制方面的巨大潜力，也为臭氧分解催化剂的设计提供了新的见解。

MIL-100（Fe）物理性能表征及对臭氧转化率（a）MIL-100（Fe）的臭氧转化率。b）模拟的、合成的和暴露于臭氧的MIL-100（Fe）的粉末XRD图案。c）在暴露于臭氧之前和之后，MIL-100（Fe）的N2吸附等温线。插图：MIL-100（Fe）的孔径分布。d）分别对MIL-100（Fe）、α-MnO2、活性炭、α-Fe2O3和β-MnO2进行臭氧转化。条件：用0.27g石英砂稀释的0.03g催化剂，C(O₃)="45ppm，流速=1000mL·min^-1，RH=45％，室温。）

MIL-100（Fe）不同高湿度环境下对臭氧的转化率（a）分别在<5％RH、20％RH、30％RH、40％RH和> 90％RH下MIL-100（Fe）的臭氧转化率。b）在交替相对湿度下MIL-100（Fe）上的臭氧转化率。c）优化了在MIL‐100(Fe)催化臭氧分解过程中沿路径稳定点的结构和相应的势能曲线。d）蓝色和红线分别表示六重态和四重态MIL-100(Fe)氢氧化物复合物的能级。实验条件：用0.27g石英砂稀释0.03g催化剂，C(O₃)= 45ppm，流速="1000mL·min^-1，RH="45％，室温。）

　　地面臭氧是世界上主要的空气污染物之一，由于其高反应性和强氧化能力，直接导致光化学烟雾。长期暴露于臭氧会导致严重的肺损伤，并增加因呼吸道疾病而早死的风险。臭氧去除的主要方法有活性炭吸附、化学吸附和催化分解。吸附剂再生和废液处理的不可避免的问题意味着多相催化是目前最有效的方法。迄今为止，通过使用贵金属和过渡金属氧化物作为催化剂分解消除臭氧。在这些报道的催化剂中，MnO₂具有较好的分解活性和较低的成本。然而，由于吸附在表面的氧物质的积累，其活性急剧下降。更重要的是，由于水在反应性位点上的竞争性吸附，MnO₂在水蒸气存在的情况下显示出降低的活性。尽管为了在高湿度环境下获得良好的活性，贵金属催化剂一直是人们关注的焦点，但由于其高成本和稀缺性，贵金属的大规模应用受到了限制。因此，开发具有优异活性和在潮湿环境下性能稳定的非贵金属催化剂是非常有必要的。

MOFilter的制作及其应用测试（a,b）MOFilter的照片和包含MOFilter的口罩。c）MOFilter的SEM图像。d）（c）中方框的放大图像。e）模拟MIL-100（Fe），无纺布和MOFilter的XRD图案。f）MOFilter上的臭氧去除，入口臭氧浓度为200ppb，室温下RH为45％。）

　　团队探索使用了MOF进行催化臭氧分解的可能性和详细机理。研究了在潮湿环境中的催化活性，发现使用MIL-100（Fe）的臭氧去除效率可以达到100％并且在45％RH的高流速下持续超过100小时。通过与多孔吸附剂（活性炭）和过渡金属氧化物催化剂（α-MnO2）的比较，进一步验证了MIL-100（Fe）的优异活性），用臭氧快速停用，在12小时内分别降至18％和60％。研究发现，当使用MOF作为活性催化剂时，水的存在有利于消除臭氧，并且在相对湿度为40％至大于90％的范围内实现臭氧的完全分解。此外，MOFilter已经被制作并用作口罩中的过滤层，以防止低水平的臭氧。这些研究结果强调了MOF对污染控制的重要性，并可能为开发臭氧分解的其他催化剂开辟新的可能性。

　　论文链接：An Iron-Containing Metal–Organic Framework as a Highly Efficient Catalyst for Ozone Decomposition（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201810268）

　　

北理工王涌天教授团队在光学类顶级期刊Light: Science & Applications发表论文

　　近日，北理工光电学院王涌天教授团队黄玲玲教授等人和德国帕德博恩大学Thomas Zentgraf教授课题组合作，提出了一种基于双折射介质超颖表面的多通道矢量全息的显示与加密方法。该项研究成果发表在光学领域著名期刊Light: Science & Applications (volume 7, Article numer: 95(2018))上，题目为“Multichannel vectorial holographic display and encryption”。

　　超颖表面通常是由单层亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成。由于它具有任意调制入射电磁波的相位、振幅和偏振的功能而引起了研究人员广泛的关注。由于超颖表面提供了光场调控的新方法和灵活性，近些年来，研究人员将超颖表面应用于光束整形、非线性光学、涡旋光束的产生、隐身斗篷以及全息等领域。

　　伴随着微纳加工工艺的进步，超颖表面在全息领域展现出了独特的应用前景。相比于基于空间光调制器的传统全息方法，基于超颖表面产生的全息再现像的分辨率和再现质量得到了极大地提高，可以克服传统全息所面临的诸如带宽窄、视场角小、存在多级衍射级次串扰、孪生像等挑战。同时，基于超颖表面的全息方法能够克服自然界材料（如空间光调制器、光刻胶）对偏振不敏感，仅能实现标量全息的限制。

　　近些年来，研究人员提出了许多基于超颖表面的全息偏振复用的方法。然而，在这些方法中仅利用了正交偏振态实现双通道，通过改变入射光束的偏振态，只能实现两个独立的再现像之间的转换，限制了超颖表面全息图信息容量的进一步提高。针对这一问题，王涌天教授团队和德国Zentgraf教授合作，将多幅矢量全息图编码到同一超颖表面。通过对入射光束和出射光束偏振态的选择，利用一种偏振依赖的相位偏移与偏振旋转矩阵，实现十二个不同偏振通道的七种不同偏振图像组合和复用，能够极大地提高全息图的信息容量，并提供了三重的信息加密维度，展示了一种实现高安全性的多通道矢量全息的新方法。这种完全的偏振控制方法可以在动态全息显示、可切换光学器件、数据存储和光学加密/防伪相关的前沿应用中发挥重要作用。同时，此方法也可以适用于涡旋光束的产生或其他类型的偏振/相位调制，以增强信息容量。

　　论文链接：Ruizhe Zhao, Basudeb Sain, Qunshuo Wei, Chengchun Tang, Xiaowei Li, Thomas Weiss, Lingling Huang, Yongtian Wang, Thomas Zentgraf. Multichannel vectorial holographic display and encryption, Light: Science & Applications (2018). DOI: 10.1038/s41377-018-0091-0

 

北理工黄佳琦课题组在化学类顶级期刊Angew Chem Int Ed上发表重要研究成果

　　近日，华体会体育前沿交叉科学研究院黄佳琦课题组在锂硫（Li–S）电池动力学调节方面研究取得新进展，相关研究成果以“Activating Inert Metallic Compounds for High-Rate Lithium–Sulfur Batteries Through In-Situ Etching of Extrinsic Metal”为题在线发表于化学类顶级国际期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德国应用化学》，影响因子12.10）。该研究利用原位刻蚀的Ni₃FeN促进多硫化物的表面反应，并采用先进的表征技术揭示了原位催化转化机理。该工作开拓了多金属合金/化合物作为高倍率Li–S电池动力学促进剂的新思路，也提出了催化表面反应和缺陷化学作用的新见解。本文的第一作者为华体会体育前沿交叉科学研究院/材料学院硕士研究生赵梦，共同第一作者为清华大学彭翃杰博士，通讯作者为黄佳琦特别研究员。

　　因为具有较高的理论比能量，Li–S电池作为锂离子电池最有希望的替代品受到极大的关注。其高能量密度依赖于可逆的表面电化学反应，在硫正极中引入电催化活性成分可以有效加速表面反应动力学，从而提高硫的利用率并减轻多硫化物的穿梭效应。然而，在电池工作条件下催化剂的真实活性相此前几乎没有被验证过。深入挖掘表面反应机理，探明催化剂活性的来源对于指导催化剂设计具有关键作用。

多硫化物刻蚀诱导的活化机制

　　类似于金属催化剂设计的合金化策略，该团队在单金属化合物中引入外在金属，活化了原来的惰性相化合物，从而促进多硫化物的表面反应动力学。以六方氮化镍（Ni₃N）作为概念验证，其对多硫化物的催化活性较差。在引入铁元素后，Ni₃N转变为高活性的立方镍铁氮化物（Ni₃FeN）。在Ni₃FeN中，处于立方结构顶角处的较高正电性的铁（与镍相比）倾向于通过多硫化物的刻蚀过程浸出，从而在镍位点的周围留下大量空位缺陷，极大地提高了Ni₃N的催化活性。

（a,b）循环前和（c,d）循环后Ni₃FeN-G的HAADF-STEM图像和相应的元素分布

　　该团队利用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜和相应的元素映射来揭示上述机制。如上图所示，循环前的Ni₃FeN颗粒中Ni和Fe元素的分布较为均匀。而循环后的Ni₃FeN颗粒显示出异常的铁元素的表面富集，证明在循环期间由于多硫化物的刻蚀作用发生了相迁移，从而留下大量Fe元素的空位并提高催化活性。

Ni₃FeN催化作用下Li–S电池的电化学性能

　　铁元素通过多硫化物的原位刻蚀作用而浸出，产生高活性的富空位相，从而促进了多硫化物的动力学转化过程。这种富空位的Ni₃FeN催化的Li–S电池表现出优异的倍率性能和高硫负载下的循环稳定性，并且可以极大降低电解液用量。这项工作不仅阐述了惰性单金属化合物的外在金属活化机制，也证明了原位相演化和空位的形成在调节催化反应中的重要作用。

　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201812062

 

　　（注：以上科研成果按发表时间顺序排列）