澳门金沙娱乐城官网-金沙官网

2022年下半年，北理工科研團隊分別在鈣鈦礦太陽能電池研究、環二核苷酸和葉酸的跨膜轉運機制、構筑MOF納米片膜、構筑燃料電池多孔離聚物、構筑異維結構物質等方面取得研究進展，科研成果先后發表在《Nature》《Science》上，現將5篇高水平理論文章匯總如下，以饗讀者。

《Science》刊發北理工鈣鈦礦太陽能電池研究新成果

11月18日 ，北京理工大學陳棋教授團隊在Science上發表文章。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定性影響，并在此基礎上制備了高效穩定性的鈣鈦礦太陽能電池。北京理工大學材料學院陳棋教授是文章的通訊作者，北京理工大學材料學院白陽副教授，北京大學博士生研究生黃子健，北京理工大學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、中國科學院自動化研究所、中國科學院高能物理研究所、中國科學院物理研究所、北京航空航天大學、中國科學院半導體研究所，以及北京曜能科技有限公司。

光伏發電新能源技術對于實現碳中和目標有重要意義。近年來，基于有機-無機雜化鈣鈦礦的光電太陽能電池器件取得了飛速的發展，目前報道的最高光電轉化效率已接近26%，而器件穩定性是其產業化成敗的關鍵。

由于其豐富的組分空間，混合組分鈣鈦礦在材料半導體性能調控，和提升器件效率及穩定性方面優勢突出。然而，由于多組分的引入，材料生長過程中會出現多相競爭問題，導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展。研究發現，薄膜在納米尺度的不均一位點會在外界刺激下快速發展，導致更為嚴重的組分分布差異化（圖1），最終形成熱力學穩定的物相分離，并貫穿整個鈣鈦礦薄膜，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）熱力學驅動下，鈣鈦礦薄膜的物相分離現象。

盡管已經有相關報道分別針對微納米尺度的相分離熱動力學和原子尺度的元素遷移行為開展了研究，但目前尚缺乏一個統一的模型將離子、原子的個體行為與薄膜的宏觀行為放在一個統一的語境下進行系統研究。針對這一問題，論文作者基于經濟學和物理學中研究群體行為的謝林模型，發展了可用于模擬鈣鈦礦中離子遷移聚集行為的數學模型，結合密度泛函理論的預測和實驗觀察數據，對薄膜相分離行為進行了半定量的分析。如圖2所示，模型的模擬結果表明，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算。（B-F）鈣鈦礦薄膜老化過程的謝林模型模擬。

以模型預測結果為指導，作者通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入弱配位的添加劑硒酚，有效調控了溶液膠體環境，提升了薄膜均一性。實驗結果表明，均一性提升的薄膜在熱、光老化條件下，表現了較好的穩定性，在實驗周期內未出現顯著的物相分離（圖3）。同時，經過進一步的器件優化，所制備的太陽能電池器件展現了良好的光電性能，在1 cm2器件上，獲得了23.7%的認證效率。在不同溫度條件下，器件在LED光源持續照射下，也表現了良好的工作穩定性。

圖3 （A）鈣鈦礦薄膜相分離的理論計算。（B-F）鈣鈦礦薄膜老化過程的謝林模型模擬。

此外，關于均一性起始狀態的相關結論能夠從混合陽離子體系進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定性”這一結論的普適性（圖4）。該論文發展了謝林模型，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定性聯系在了一起，為提高鈣鈦礦材料與光伏器件的穩定性提供了新的思路，也為制備高效穩定的鈣鈦礦光電子器件提供了理論基礎。

圖4 （A-H）混合陰離子鈣鈦礦薄膜的老化行為研究。

《Nature》發表北理工揭示環二核苷酸和葉酸的跨膜轉運機制

10月20日，北京理工大學生命學院高昂團隊與中國科學院生物物理所張立國團隊、高璞團隊合作在Nature上發表文章。文章題為“Recognition of cyclic dinucleotides and folates by human SLC19A1”，揭示了溶質載體家族蛋白SLC19A1識別環二核苷酸、葉酸和抗葉酸的分子機制。這項研究將有助于SLC19A1相關疾病的機理分析和潛在藥物的開發及優化。北京理工大學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，北京理工大學為共同通訊單位。

SLC19A1是人體內關鍵的環二核苷酸、葉酸和抗葉酸藥物的轉運蛋白。環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在感知細胞質異常DNA信號后催化產生，進而結合并激活接頭蛋白STING，從而引發細胞內廣譜的天然免疫反應。葉酸是維生素B家族的一員，是機體基礎代謝中一種重要的營養成分。抗葉酸藥物如培美曲塞（PMX）、甲氨蝶呤（MTX）等，可以抑制腫瘤細胞中的葉酸代謝，因此在癌癥治療中發揮巨大的作用。鑒于SLC19A1在環二核苷酸、葉酸以及抗葉酸跨膜轉運中的重要功能，對其底物識別機制的研究將有助于SLC19A1相關疾病的機理分析和潛在藥物的開發及優化。

SLC19A1轉運環二核苷酸和葉酸類分子示意圖

該研究通過冷凍電鏡結合抗體輔助的方法解析了SLC19A1向細胞內側開口（inward-open）的無底物狀態電鏡結構以及SLC19A1與哺乳動物內源環二核苷酸（2'3'-cGAMP）、細菌來源的代表環二核苷酸（3'3'-CDA）和臨床環二核苷酸藥物（2'3'-CDA^S）等多個復合物inward-open狀態的高分辨率電鏡結構。研究發現SLC19A1是由12根跨膜螺旋（TM）組成的經典MFS折疊轉運蛋白，三種環二核苷酸分子都以精巧的二聚體單元形式結合在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復合物的高分辨率冷凍電鏡結構。與環二核苷酸不同，這兩種葉酸類分子均以單體形式結合在SLC19A1極性腔的中上部。

該研究工作首次報道了人源SLC19A1識別多種環二核苷酸、葉酸和抗葉酸的復合物結構，揭示了SLC19A1識別不同底物的分子機制。這些發現將為相關疾病的機理研究和藥物開發提供指導。

《Science》刊發北理工MOF納米片膜研究成果

2022年10月21日，北京理工大學化學與化工學院趙之平教授團隊在Science上發表文章“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而通過表面晶體誘導生長法精確構筑MOF納米片膜的新構想，在聚合物基底表面實現了高柔性超疏水MOF膜的層次構建，解析了納米片的晶體結構及其內部的傳質通道，揭示了聚合物與納米片層在分離過程中的協同機制，突破了柔性MOF膜制備瓶頸，為規模化制備和應用提供了理論依據和技術支撐。該工作的第一作者為北京理工大學化學與化工學院博士研究生徐李昊、李申輝，通信作者為趙之平和馮英楠，北京理工大學是該工作的唯一完成單位。

分離過程是化學工業中能耗、投資、成本最集中的環節，占投資和成本的40-70%，占世界能耗的10%以上，也是能源、環境、食品和生物醫藥等領域不可或缺的環節。滲透汽化膜分離技術可節能30-60%，高效節能特點顯著，不僅是一種支撐可持續發展的關鍵技術，也在我國實現“碳達峰、碳中和”目標過程中發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，研發高性能分離膜是膜科學技術領域科學家不懈的追求。

近年來，基底負載的異質外延金屬有機骨架（MOF）膜在分離方面展現出巨大的應用潛力。現有方法多在剛性無機基底上制備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瓶頸，趙之平教授團隊從解決制約技術瓶頸的科學問題入手，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合問題，研究團隊將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”，其獨特的花瓣狀片結構也為納米片生長奠定基礎。以此為基底通過誘導MOF限域生長，調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納米片的晶體結構及其內部的傳質通道，其拓撲結構以厚度為0.525 nm的[Zn2(MeIm)4]n為網格狀平面，包含0.435 nm的亞納米級層間通道，揭示了ZIF-8晶種在NIPS法成膜過程中發生了晶格畸變。

圖1 MOF-NS/PVDF膜的結構及制備方法：（A）膜的表面形貌（從SEEDS/PVDF基底分別經過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小；（B）MOF-NSHR-TEM圖像；（C）MOF-NS的層狀結構和層間通道。

在電子顯微鏡下，通過調節觀測區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、翻轉和搖擺），納米片厚度約13 nm。MOF納米片在透射電鏡下展現出不同于ZIF-8的良好晶格結構，蜂窩狀MOF納米片的片層結構和其內部連續通道，使其在滲透汽化過程中展現了超高滲透性。

圖3 MOF-NS/PVDF膜的高柔性結構：（A）MOF-NS/PVDF膜柔性可逆動態形變過程的SEM圖像（包括翻轉、扭轉和搖擺）；（B）MOF-NS/PVDF膜柔性可逆動態形變示意圖；（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）經聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液滴涂改性，形成具有蜂窩狀結構的PDMS涂層，不僅修復了MOF納米片間的分子尺度缺陷，同時實現了膜表面特性從超親水到超疏水（水接觸角158.3°）的轉變，構建了兼具超疏水表面特性和膜內MOF-NS快速分子擴散通道的雙功能膜（PDMS/MOF-NS/PVDF）。

圖4 PDMS改性MOF-NS/PVDF膜的制備工藝、結構及表面特性：（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-水分離過程中的協同作用機制：首先，親有機物的PDMS層阻礙水分子溶解滲透而使醇分子優先溶解透過；MOF納米片中片層結構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，同時其內部的連續孔道結構成為分子傳遞的快速通道，減小了分子傳遞阻力。此外，蜂窩狀結構的膜表面增加了與料液的有效接觸面積，促進滲透通量提升。在分離過程中，亞納米級通道對較大分子丁醇展現了分子篩分截留作用。在聚合物基底構建的PDMS-MOF納米片復合層，不僅強化了膜內分子傳質，也有效促進近膜表面流體湍動、降低了滲透汽化過程的濃差和溫差極化現象，進而顯著提高了復合膜的分離性能，滲透通量和分離因子分別是傳統方法制備的PDMS/PVDF膜的13.6倍和1.2倍。

圖5 膜PV性能以及膜表面形態對進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）膜長時穩定性；（D-E）膜表面的流動行為。

注：該項研究得到了國家自然科學基金重點項目，國家重點研發計劃項目以及北京理工大學青年教師學術啟動計劃的支持。

《Science》發表！突破固有思維，北理工首次構筑燃料電池多孔離聚物

2022年10月14日，北京理工大學王博教授團隊在Science上發表文章“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”，在氫能領域針對燃料電池核心膜電極（MEA）氣固液三相界面中離子導通，氣、水輸運和電催化的問題，首次提出并構筑了適用于燃料電池催化層的多孔共價有機框架（COF）離聚物。多孔框架離聚物（Porous Ionomer）概念的提出突破了傳統鏈狀離聚物的束縛，可顯著提高催化層的傳質效率，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化學與化工學院博士后張慶暖，通信作者為王博和馮霄，北京理工大學是該工作的第一作者和唯一通訊作者單位。

碳中和目標下，發展氫能技術已成為必然趨勢。質子交換膜燃料電池作為氫能規模利用的端口，是最有應用前景的氫能利用方式之一。而實現質子交換膜燃料電池技術發展和大規模應用的關鍵在于開發高性能、低成本的膜電極材料。催化層由Pt/C催化劑和離聚物構成的，其作為膜電極的核心，是燃料電池中電化學反應發生的場所。為保證電化學反應的效率，催化層需要同時為反應所需的質子、反應氣體提供可以到達催化劑的通道，同時能夠輸運反應生成的水分子。目前，催化層中使用的離聚物為鏈狀全氟磺酸樹脂（PFSA，Nafion），可實現質子的快速傳導。但與此同時，Nafion會對Pt催化劑造成過度包裹，導致較大的氣體阻力和低的催化活性位點利用率，從而導致催化劑性能無法得到充分發揮。

針對上述問題，論文作者提出構筑多孔框架離聚物的策略，優化催化劑表面的氣固液三相界面，實現了高性能低鉑含量的質子交換膜燃料電池系統的開發。作者在框架化學的指導下，將有機基元通過共價鍵連接，精準定制合成了多孔框架二維聚合物，具有良好的化學穩定性、熱穩定性和抗溶脹能力。所得的二維聚合物平面結構，由六邊形骨架在二維方向上無限周期性延展組成，在六邊形骨架內部利用磺酸基懸臂提供高的質子傳導能力，其剩余的空間能夠為氧氣和水提供足夠的通路促進傳輸。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催化層及其作用機理示意圖

文章中詳細探討了多孔COF離聚物在燃料電池催化層中的作用機制，分析了介孔COF納米片對催化層中氣體擴散、質子傳輸和水管理的影響。相較傳統的鏈狀離聚物，多孔COF離聚物具有以下優勢：

1）利于氣體傳質。添加多孔COF離聚物后，H₂-air電池中極限電流密度下O₂的傳質阻力降低了40%。氧氣滲透測試表明，COF與Nafion混合基質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）高質子傳導性、優化水管理。多孔COF離聚物的質子傳導率略高于Nafion，其孔道結構和吸放水的能力既有利于抑制高功率密度下水淹現象的發生，又可以在低濕度下助力燃料電池展現出較好的性能。

3）緩解催化劑毒化作用。多孔COF納米片產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，增加了電化學活性表面積，提高了催化劑的質量活性。

圖2 基于商用Pt/C催化劑的MEA的陰極Pt負載量和峰值功率密度與文獻數值的比較

通過多孔離聚體的設計理念，即在不犧牲質子傳導性的條件下引入具有豐富介孔的剛性開發框架納米片，可大幅提升燃料電池的性能。在超低鉑的含量下，其功率密度達到了新的記錄，這意味著有望將產生1kW電的費用降低三分之一左右。此外，美國能源部（DOE）設定的2025年的目標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離聚物優化催化層的結構之后，商業催化劑即可接近這個目標。

COF良好的熱穩定性、酸堿穩定性和結構可設計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用前景。多孔COF離聚物的設計策略對優化燃料電池催化層的ORR三相微環境具有里程碑的意義。

注：本研究還得到科技部重點研發計劃項目、國家自然基金委面上項目、優青項目、北京市科技計劃項目、中國博士后科學基金等項目的支持。

《Nature》發表！首次構筑“異維超結構”，北理工突破傳統物質結構認知！

2022年8月31日，北京理工大學物理學院周家東教授、姚裕貴教授，北京大學吳孝松教授，日本Kazu Suenaga教授和南洋理工大學劉政教授在Nature上發表文章《Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect》，首次提出并構筑出全新的異維結構物質，并基于該物質觀察到室溫面內反常霍爾效應，該結構的成功構筑突破了對傳統物質和結構的認知，為新物質和新奇物性研究開創了新的方向。

超晶格結構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，該新結構的物質有望表現出母體所不具有的新奇物性，如鐵磁、鐵電和超導等，在電子、光電子和新型信息器件領域有著潛在的應用價值。傳統的超晶格結構主要是由相同維度物質按照一定的排列組合方式形成，如3D-3D、2D-2D以及1D-1D結構等。同時這些傳統的超晶格結構主要是使用分子束外延方法制得。

二維（2D）材料的發現為構筑新型超晶格結構提供了新的可能。結構構筑是指將不同的2D材料和其他結構的材料通過人工構筑或者化學氣相沉積方法構筑出插層或不同維度的異質結構。然而，縱觀超晶格結構從1970年提出及制備至今，由不同維度物質組成的本征超晶格結構的實現尤其困難。針對這一難題，周家東教授等首次提出并實現了一種全新的異維超晶格結構，該異維超結構由2D VS2和1D VS相互交叉排列，形成全新的2D - 1D的本征異維超結構形式。基于該物質的獨特結構，超結構表現出室溫面內大反常霍爾效應。這一新的發現開啟了構筑新物質、發現新物性的全新方向。

圖1 VS2-VS異維超結構的制備與光學等表征結果

有別于傳統超晶格結構的制備，該新型異維超結構的實現具有里程碑意義：

1）制備方法突破：傳統的超結構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構的制備多為人工構筑，這導致材料界面干凈整潔度等較難控制，無法觀察到物質的本征特性，該超結構的一步法VLS生長機制為構筑新物質提供了方向。

2）材料認知突破：由2D材料和1D線周期性相互交疊形成穩定的異維超結構，該結構的厚度可以調整，從幾十納米到幾納米都可以實現。突破傳統超結構物質只能形成有相同維度物質或者不同物質的簡單插層，推動了物質領域的發展。

圖2 異維VS2-VS超晶體的原子結構

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異維超結構表現出完全不同于VS2、V5S8等物質的室溫面內大反常霍爾效應。推動了不同維度物質之間的耦合，為實現新奇物性如室溫鐵磁半導體特性、高溫量子反常霍爾效應等提供可能。

圖3 VS2-VS異維超結構的面內反常霍爾效應

注：該工作得到科技部重點研發計劃項目、國家自然基金委面上項目、國家青年人才計劃、國家自然基金委重點項目、北京理工大學創新項目和省部級量子實驗室等項目的支持。