蛇年新氣象，起航新學期

合工大科研工作者們

踔厲奮發，步履不停

近期取得了一系列

新成果新進展

隨官微一睹為快

01

能源轉換與存儲材料研究領域

材料科學與工程學院吳玉程教授團隊連續在國際著名學術期刊《Advanced Functional Materials》發表三篇研究文章，在電催化還原CO2催化劑、鋰硫電池和鋰離子電池負極材料等方面取得系列研究成果。

團隊通過低溫介導的超聲剝離工藝，將商業Cu粉破碎成為暴露不同活性晶面的高活性Cu超細納米顆粒，用于高效電催化還原CO2生成C2H4。所制備的Cu納米顆粒電極表現出較高的催化活性，CO2轉化成C2H4法拉第效率高達81.5%，在-0.93V下的最大局部電流密度為1.1Acm-2。原位拉曼光譜顯示，Cu-5電極具有豐富的CO2吸附和質子化活性位點，可以有效地將CO2轉化為*CO中間體，導致電極表面具有較高的局部CO覆蓋率，促進了C-C偶聯生成C2H4。原位ATR-FTIR和DFT計算的綜合結果證明了CO-CHO與C2H4偶聯的反應途徑，強調了Cu-5電極中Cu（100）面的存在降低了*COCHO形成的能量勢壘。該工作設計了一種易于獲得的超細銅納米顆粒催化劑，用于高效生產C2H4，為電催化CO2還原技術提供了一定的參考。

圖1 Cu超細納米顆粒電催化CO2還原性能

團隊針對高能鋰硫電池（Li-S電池）性能受限于硫氧化還原反應（SRR）的緩慢動力學和中間產物多硫化物鋰（LiPS）“穿梭效應”的關鍵瓶頸，設計并成功構建了一種Janus型V2O3/VN異質結構嵌入的蓮藕狀多通道氮摻雜碳納米纖維（MNCNF）的自支撐硫載體（V2O3/VN@MNCNF）。理論計算結合實驗研究結果表明：V2O3/VN界面電荷重分布誘導形成的內建電場，通過發揮V2O3吸附功能優勢、VN高催化活性及界面增強的電子/離子傳輸，促進了多硫化物在V2O3/VN異質界面平穩快速的“捕獲-遷移-轉化”，從而加速了雙向硫轉化。碳納米纖維中的分級多孔網絡有助于電子/離子快速輸運，同時也為載硫提供了充沛空間，并物理限制了LiPS擴散穿梭和電極體積效應。因此，基于該硫電極組裝的Li-S電池在高硫負載（6.0mg·cm-2）和貧電解液（7.5 μL·mg-1）條件下，實現了高達4.92mAh·cm-2的面容量，150圈循環后容量保持率仍高達94.8%。該工作為鋰硫電池電催化劑的合理設計提供了理論指導，也為鋰硫電池的商業化應用提供了新的可能。

圖2 V2O3/VN@MNCNF的設計思路和異質界面作用機制

團隊針對金屬有機框架（MOF）導電性差、儲鋰容量低、儲鋰機理不明晰等問題構建了一系列對苯二甲酸基MOF納米片，并證明此類MOF電極可以通過原位電化學重構策略為高效儲鋰提供一種替代方案。通過同步輻射、原位XRD，原位拉曼等表征技術發現對苯二甲酸MOF納米片，在初始的鋰化/去鋰化循環中經歷逐步的組分和結構重構；在熱力學驅動下，金屬節點和對苯二甲酸配體分別轉化為金屬氧化物和對苯二甲酸鋰，形成更穩定的Li─O鍵。在組分重構的同時，MOF納米片也演變成一種獨特的多孔狀“梅子布丁”結構，其中氧化物納米晶被對苯二甲酸鋰包裹。同時原位EIS技術表明MOF納米片電極重構后，其離子電導率得到顯著改善。優化的NiCo–BDC納米片電極能夠在0.1A·g-1的電流密度下提供高達1582.4 mAh·g-1的比容量，經過2000次循環后，在2A·g-1的電流密度下保持502.6mAh·g-1的可逆比容量。該工作提出電化學重構開發高效MOF電極的新策略，突破了MOF在儲能應用中的瓶頸。

圖3 MOF納米片儲鋰過程中的成分重構

圖4 MOF納米片儲鋰過程中的結構重構

團隊與加拿大國立科學研究院Shuhui Sun院士、中國科學技術大學余彥教授、安徽師范大學王鵬教授課題組分別開展合作，全面依托先進能源與環境材料國際科技合作基地、清潔能源新材料與技術學科創新引智基地（111計劃）、安徽省先進納米能源材料國際科技合作基地、先進功能材料與器件安徽省重點實驗室和安徽省先進復合材料設計與制造工程中心等高水平科研平臺，相關研究工作得到了國家自然科學基金、安徽省重點研發計劃項目、安徽省自然科學基金、中國博士后基金、中央高校基本科研業務費專項等支持。

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02

量子點光催化制氫研究領域

化學與化工學院李伸杰、陳艷艷課題組在量子點光催化制氫研究領域取得新進展，相關研究成果以“High-Density Donor-Acceptor Pair Mediated Carrier Transport Dynamics for Hydrogen Production Performance Promotion Based on Non-Stoichiometric Quantum Dots”為題發表在國際著名學術期刊《ACS Nano》上。合工大為第一通訊單位，化學與化工學院碩士生丁凱為論文第一作者，李伸杰、陳艷艷及安徽工程大學林偉偉老師為通訊作者。

量子點（QDs）被認為是最佳的太陽能光電轉換材料之一，在各類光催化反應中得到了廣泛的應用。I-III-VI族量子點是一類高效的光捕獲材料，但特殊供體-受體對（D-A對）的存在使得光催化過程中載流子的動力學變得復雜，多種類型缺陷導致的綜合效應使得研究單一類型的缺陷對載流子動力學的影響頗具挑戰。因此，系統的研究D-A對缺陷對量子點內載流子動力學的影響成為了亟待解決的問題。

圖1 量子點的D-A對密度分析及密度泛函理論計算

研究團隊針對這一問題，利用過量無機S2-配體鈍化銀銦鋅硫量子點（Ag-In-Zn-S QDs）的表面缺陷，系統地研究高密度供體-受體對（D-A對）在光催化過程中對載流子分離和轉移路徑的影響。通過密度泛函計算證明了過量無機S2-配體取代MPA的可行性。研究結果揭示，量子點中的D-A對缺陷可以有效地分離載流子，由其D-A對產生的固定能級位置的缺陷為光生電子-空穴的分離提供了新的路徑，并能高效“儲存”載流子。在此基礎上，研究團隊利用量子點內D-A對中存儲的載流子與納米片中的In空位形成的內建電場，構筑了類Z型量子點-納米片異質結材料，性能測試表明，異質結的光催化產氫速率得到大幅提升，最高可達初始量子點產氫速率的近1400倍（80.7 mmol·g?1·h?1）。

這項研究利用I-III-VI族量子點內的高密度D-A對介導的載流子傳輸動力學促進了高效光催化析氫，為構建量子點/納米片異質結光催化劑提供了一種可行的策略以及光生電荷轉移的機制。

圖2 量子點/納米片異質結的性能表征及光催化產氫機理

該研究工作得到了國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、高值催化轉化與反應工程安徽省重點實驗室、中央高校基本業務經費等項目的資助。

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03

超快激光加工研究領域

儀器科學與光電工程學院吳思竹教授、勞召欣教授課題組在超快激光加工領域取得多項研究成果，相關論文分別發表于國際知名期刊《Advanced Functional Materials》、《Small》和《Corrosion Science》。

研究團隊將飛秒激光加工引導的雙向對稱毛細力自組裝用于手性光學結構加工，提出了一種基于角度補償和pH調控策略的雙向對稱手性微結構原位制備方法。該方法采用飛秒激光直寫構建pH智能響應性水凝膠微柱陣列，巧妙利用溶液蒸發產生的動態毛細力驅動自組裝過程，通過將智能材料動態響應特性與激光微加工精準操控相結合，突破了傳統手性結構調諧困難的瓶頸。為克服傳統智能材料變形不對稱的問題，團隊引入了結構角度補償與pH協同調控策略，并建立了手性結構參數化設計模型。通過渦旋光探測技術，驗證了所制備手性微結構的對稱渦旋二色光譜特性。該進展以“Bidirectionally Symmetric Self-Assembly of Switchable Chiral Microstructures Based on Angle Compensation and pH Regulation Strategy for Chiroptical Metamaterials”為題于2025年2月11日發表在《Advanced Functional Materials》。

圖1 飛秒激光加工引導的對稱調諧手性自組裝

研究團隊設計了一種電熱-磁復合驅動的形狀記憶微夾持器（EM-SMP）。該微夾持器通過飛秒激光加工技術實現高精度制造，并在形狀記憶聚合物基體中嵌入Fe?O?顆粒和電阻絲，從而能在電流和磁場作用下實現快速響應（響應時間約為0.9s）。該設計在操作過程中僅在夾持器張開時施加磁場，閉合則通過電熱觸發的形狀記憶效應完成，使其能夠在無磁干擾的情況下安全夾持磁性物體，并在冷卻后實現無需能耗的穩定鎖定狀態。此外，其獨特的爪形結構有效提升了負載能力，自重負載比高達2380，顯著增強了夾持性能。該進展以“High-Load Shape Memory Microgripper with Embedded Resistive Heating and Magnetic Actuation”為題于2025年2月3日發表在《Advanced Functional Materials》。

圖2 EM-SMP夾持器工作機理示意圖

研究團隊設計了一種磁/光雙響應形狀記憶夾持器。通過將Fe?O?納米顆粒嵌入形狀記憶聚合物（SMP）基體，賦予材料光熱轉換與磁響應特性。基于飛秒激光加工與模板復刻技術，制備了可精確調控的微結構夾爪。在近紅外光（NIR）與環形磁場協同作用下，夾爪通過光熱效應軟化并受磁力驅動展開至臨時開合態；撤去磁場后，其形狀可固定，而再次施加NIR則觸發形狀記憶效應恢復閉合態。實驗表明，該夾持器可操控跨尺度物體（微米級液滴至厘米級金屬件），最大負載達自身重量的1730倍，并能在密閉空間內精準轉移固體與液體。此外，其成功應用于多種微液滴操控及液態金屬電路控制，為微創手術器械與工業精密操作提供了創新解決方案。該進展以“A Versatile Dual-Responsive Shape-Memory Gripper via Additive Manufacturing Toward High-Performance Cross-Scale Objects Maneuvering”為題于2025年1月24日發表于《Small》。

圖3 磁/光雙響應形狀記憶微爪磁熱協同驅動與跨尺度操控

研究團隊提出飛秒激光表面處理（FLSP）新策略。通過調控激光功率（100–400mW）在LPBF鈦合金表面構建周期性納米波紋與微納分級結構，結合空氣暴露加速Ti2?氧化為Ti??，形成致密TiO?鈍化膜。實驗表明，FLSP處理后的樣品在3.5%NaCl溶液中腐蝕電流密度（icorr）由2.05μA/cm2降至0.044μA/cm2（降幅97.8%），鈍化電流密度（ip）降低70.8%，且呈現多層鈍化行為。XPS分析證實，空氣暴露30天后，表面Ti??占比提升，氧化膜厚度與致密度顯著增加，有效阻隔Cl?侵蝕。經過45天浸泡實驗，FLSP處理樣品未出現明顯局部腐蝕，驗證了其長效防護能力。該進展以“Femtosecond laser-induced micro/nanostructures facilitated multiple passivation and long-term anti-corrosion property of laser powder bed fused Ti-6Al-4V alloy”為題于2025年1月30日發表于《Corrosion Science》。

圖4 飛秒激光誘導微納米結構促進合金的多重鈍化和長期防腐性能

課題組與中國科學技術大學吳東教授、香港中文大學張立教授課題組等分別開展合作，相關研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、合肥工業大學優秀青年人才培育計劃等項目的支持，系列進展可以為先進制造、集成傳感器、智能機器人、生物醫療等領域提供重要技術支撐。

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來源 | 材料科學與工程學院 化學與化工學院

儀器科學與光電工程學院

圖片 | 皮致遠 張庭語

責編 | 衛婷婷

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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