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近期，西安交大科研团队在锂电池容量估计、相变存储器件的原子模拟、大气污染物治理研究、富勒烯衍生物结合位点与稳定性机制起源等方面取得新进展。

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目录

01

西安交大梅雪松、徐俊团队在锂电池容量估计领域取得系列新进展

02

西安交大材料创新设计中心成功实现相变存储器件的原子模拟

03

西安交大段培高教授团队在大气污染物治理研究中取得新进展

04

西安交大侯高垒教授团队在富勒烯衍生物结合位点与稳定性机制起源方面取得新进展

梅雪松、徐俊团队

在锂电池容量估计领域取得系列新进展

研究背景

锂离子电池凭借其优异性能已被广泛应用于电动车辆、移动机器人、可穿戴设备、储能场站等场景。在电池使用过程中，不可避免出现的非线性、强时变的容量衰减严重影响着电池性能。为确保电池工作的安全性和可靠性，快速准确的容量估计至关重要。然而，由于电池化学、充电模式、工作温度以及用户习惯的变化，实现真实世界条件下快速、准确、稳健的在线容量估计充满挑战。

科研创新

针对上述问题，西安交通大学机械工程学院梅雪松、徐俊教授团队提出了一种基于单电压特征高斯过程回归（GPR）的数据驱动方法，可在3分钟内实现锂离子电池变温、非恒流充电快速容量估计。

该工作首次通过实验生成了基于非恒流充电协议的电池老化数据集，针对非恒流充电开发了可在3分钟内收集的高质量健康特征，结合GPR实现了快速容量估计。该方法的平均容量估计误差仅为0.65%，其精度相比传统方法提高了60%以上。

同时，该工作提出了一种基于早期数据线性变换的温度迁移策略，可将25℃建立的模型低误差（误差降低30%以上）迁移至其他温度条件（如10℃和40℃）。该工作为实现非恒流、全温域的锂电池容量估计提供了新的解决方案。

图1.数据驱动的锂离子电池变温、非恒流充电快速容量估计方法

同时，部分充电曲线结合机器学习（ML）估计电池容量已取得了可观进展。然而，由于分散的现有研究，这些方法缺乏清晰的分类、公平的比较以及性能的合理化。在此背景下，西安交通大学梅雪松、徐俊教授团队从充电序列构建、输入形式和ML模型三个角度开发了20种容量估计方法用于对比研究，从44块具有不同电池化学和工作条件的电池中生成了22582条充电曲线用于交叉验证。通过全面公平的比较，基于等距时间电压序列的长短期记忆（LSTM）神经网络表现出最佳的准确性和鲁棒性。

在6503个测试样本中，使用LSTM估计的容量的平均误差为0.61%，最大误差仅为3.94%。即使增加3mV电压噪声或将采样间隔延长至60秒，平均误差仍然低于2%。同时，该工作证明了两种充电序列通过描述增量容量和差分电压曲线的单位面积变化来表征电池退化，从物理角度增强了数据驱动方法的推广信心。这项工作为基于部分充电曲线估计电池容量的数据驱动方法提供了深刻的洞察和有价值的指导。

图2.基于部分充电曲线的数据驱动电池容量估计的对比研究

科研成果

论文题目

■《非恒流充电和变温条件下数据驱动的电池容量快速估计方法》

（A fast data-driven battery capacity estimation method under non-constant current charging and variable temperature）

■《基于部分充电曲线的数据驱动电池容量估计的对比研究》

（A comparative study of data-driven battery capacity estimation based on partial charging curves）

发表期刊

■《储能材料》

（Energy Storage Materials）

■《能源化学》

（Journal of Energy Chemistry）

论文链接

■ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829723003458

■ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495623005405

文章作者

西安交通大学为唯一通讯单位，论文第一作者为博士生林川平，通讯作者为徐俊教授。

材料创新设计中心

成功实现相变存储器件的原子模拟

研究背景

近几年来，相变存储器（PCRAM）已逐步实现商业应用，包括基于三维堆叠技术的高密度相变存储芯片以及高稳定低功耗的嵌入式相变存储芯片。PCRAM的核心材料是处于锑化锗GeTe和碲化锑Sb₂Te₃伪二元线上的锗锑碲合金Ge–Sb–Te alloys，数据存储利用的是该类材料在其晶体相与非晶相之间快速可逆相变所引起的巨大电阻差异。基于量子力学原理的第一性原理分子动力学模拟（AIMD）是理解相变材料本征性质、设计新型相变材料的有效手段。然而该方法仅限于数百至数千原子尺寸模型的研究，无法支撑实际器件尺寸体系的模拟。以三维堆叠芯片为例，其相变存储单元的特征尺寸为20 nm´ 20 nm´ 40 nm，包含超过53万个锗锑碲原子，远超AIMD的计算极限。同时，由于相变材料化学成分复杂而且数据存储过程中涉及多重结构相变，基于经验参数的传统力场（classical force field）很难对其进行准确的模拟。

科研创新

为了解决该问题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心张伟教授和牛津大学化学系Volker L. Deringer教授通力合作，利用先进的机器学习方法并基于高斯近似势能GAP框架，开发了一个适用于锗锑碲合金的机器学习势能函数（Machine-Learned potential）。该势能函数兼具传统力场的计算效率和量子力学的计算精度，能够准确描述伪二元线上的任意组分的锗锑碲合金的复杂结构特征以及可逆相变过程。

同时，团队考虑了结构相变引起的密度变化、脉冲产生的温度梯度、电场作用下的离子迁移过程以及结构弛豫等影响，使得原子模拟更加接近相变器件真实的服役过程。如图1b所示，团队实现了三维堆叠芯片相变单元擦除过程所涉及的脉冲诱导熔化过程的原子模拟。该方法具有非常高的扩展性，可模拟器件界面对相变过程的影响，有助于进一步优化器件的尺寸与结构。

图1三维堆叠相变存储芯片中相变单元的原子模拟，颜色深浅代表晶体熔化程度

目前，该工作所得到的所有数据库与势函数均已开源，开源数据可以在Zenodo平台以及Alkemie平台免费下载。

科研成果

论文题目

《相变存储器件的原子模拟》

（Device-scale atomistic modelling of phase-change memory materials）

发表期刊

《自然-电子学》

(Nature Electronics)

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41928-023-01030-x

文章作者

该项工作由博士生周宇星（第一作者）在张伟教授（通讯作者）、马恩教授以及Volker L. Deringer教授（通讯作者）的共同指导下完成。

授团

段培高教授团队

在大气污染物治理研究中取得新进展

耗温介质瓷电容器

研究背景

化石燃料燃烧产生的氮氧化物（NO_x）排放是全球环境问题的直接原因，NO_x净化技术也因为环境和人类健康问题得到快速发展。NO的选择性催化氧化（SCO）是各种NO_x净化技术的关键步骤，开发具有更高的NO氧化活性的高效材料对于NO_x净化技术具有重要意义。前期贵金属负载催化剂得到广泛应用，但是其高昂的成本和极度稀缺限制了它们在实际中的广泛应用。近年来，具有多价态和强储氧能力的MnO_x−CeO₂三元复合材料在一系列氧化还原反应中表现出优异的性能。同时，形貌和结构调节也是影响NO催化氧化性能的重要指标，核壳结构纳米材料由于其多样的组成和结构已经得到广泛应用。然而，锰基系统在实际烟气应用中的瓶颈问题是其抗SO₂毒害能力较差，同时铈基催化剂在低温催化活性方面仍存在差异。

科研创新

为了解决这一问题，西安交通大学化学工程与技术学院段培高教授团队通过将Mn₂O₃@CeO₂氧化物的独特性质与核壳纳米材料的结构稳定性结合起来，制备了富集非对称氧空位且具有高活性和抗硫性的NO氧化催化剂Mn₂O₃@CeO₂催化剂。相比对称性氧空位，非对称氧空位更有助于反应物的吸附和产物的脱附。

图1. (a)氧空位局部环境与其氧化还原性质的关系 (b)非对称富氧空位Mn₂O₃@CeO₂的示意图

通过NO催化氧化活性测试，发现Mn₂O₃@CeO₂催化剂在整个温度范围（150-400℃）内都表现出更高的脱硝活性，要优于纯Mn₂O₃、CeO₂和商用Pt/Al₂O₃催化剂。Mn₂O₃@CeO₂在所研究的材料中表现出最低的表观活化能（E_a=22.4 kJ/mol），表明NO分子在Mn₂O₃@CeO₂材料表面更容易进行。值得注意的是，现Mn₂O₃@CeO₂催化剂在SO₂环境下表现出良好的抗硫性能，在100-300ppm SO₂的气氛下活性没有发生明显改变，展现良好的工业应用前景。

图2. (a，b)生成的样品的NO转化率与反应温度的关系 (c) Arrhenius曲线图 (d) Mn₂O₃@CeO₂和Mn₂O₃催化剂的SO₂抗性测试。反应条件：NO=500 ppm，O₂=10 vol%，N₂平衡，总流量300 mL·min^-1，GHSV=90000 h^-1。

为了阐明分子吸附和反应中间产物的形成，研究通过XPS、EPR和H₂-TPR技术发现Mn₂O₃内核在包覆CeO₂外壳以后会促进氧空位的生成；AC-STEM配套的EELS检测手段给出了Mn₂O₃和CeO₂界面存在氧空位的直观证据。

图3.制备样品的XPS光谱：(a) Mn 2p (b) Ce 3d和(c) O 1s轨道 (d)低温EPR光谱 (e)制备样品的H2-TPR (f) SAC-STEM HAADF图像和(g) Ce M4、 5edge (h) Mn L2、 3-edge和(i) O K-edge在Mn₂O₃@CeO₂样品上的点扫描EELS光谱

科研成果

论文题目

《非对称氧空位富集型催化剂的低温脱硝性能及抗硫性研究》

（Asymmetric oxygen vacancy-enriched Mn₂O₃@CeO₂ for NO oxidation with excellent low-temperature activity and boosted SO₂-resistance）

发表期刊

《应用催化B-环境》

（Applied Catalysis B: Environmental）

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123202

文章作者

论文以为西安交通大学化工学院段培高教授为主要通讯作者，西安交通大学化工学院为论文第一作者和通讯作者单位。

侯高垒教授团队在

富勒烯衍生物结合位点与稳定性机制起源方面取得新进展

研究背景

1985年，Smalley、Kroto和Curl等发现了一种由五边形和六边形组成的笼状结构全碳分子，由60个碳原子组成（C₆₀），具有足球一样完美对称的结构，并将其命名为巴克明斯特富勒烯（Buckminsterfullerene），是除了石墨和金刚石之外的碳的第三种同素异形体。这一发现标志着人类揭开了富勒烯的神秘面纱，开启了富勒烯科学这一全新的研究领域，三位科学家因此获1996年诺贝尔化学奖。

富勒烯独特的几何结构和电子结构使得易于利用物理或化学方法对其进行修饰，从而制备杂富勒烯、内嵌富勒烯和外接富勒烯等多种类型的富勒烯衍生物。这些富勒烯衍生物和富勒烯基碳材料在超导、储氢、光伏电池、单分子器件以及医学诊断和治疗等领域均具有重要的基础研究意义和实际应用价值。同时，天文学家在恒星形成区、年轻恒星、演化晚期恒星、（前）行星状星云以及星际介质等多种天体环境中发现了C₆₀，显示了C₆₀富勒烯的无处不在和神奇魅力。

科研创新

近年来，西安交通大学侯高垒教授联合多个研究团队，利用自主发展的质谱-光谱联用实验技术，首次测量得到了气相富勒烯-金属复合物在6-25微米范围的高分辨红外谱，通过与Spitzer空间望远镜得到的天文观测谱比对分析，提出富勒烯-金属复合物可潜在贡献于星际未证认红外发射谱带和弥散星际谱带；并在此基础上构建了VibFullerene数据集，为2021年发射升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）搜索并分析星际富勒烯相关物种提供了重要参考。

同时，在以富勒烯-金属团簇作为碳基负载型金属催化剂的模型探索相关催化反应活性位点和催化机制时发现富勒烯的奇异几何-电子效应使其可作为“氢摆渡车”（几何效应）与“电子海绵”（电子效应）助力金属催化。

然而，一个非常基本的物质结构问题仍有待回答：外来一个原子或基团，倾向于结合在巴基球表面的哪个位置？根据巴基球的球对称结构，外来原子将会有五个可能的结合位点：五元环中心、六元环中心、五元环与六元环共享桥键、六元环与六元环共享桥键和顶点，但结合在哪个位置最稳定？目前尚缺乏直接的实验证据。

鉴于此，西安交通大学侯高垒教授联合荷兰自由电子激光光源FELIX和比利时鲁汶大学等研究机构的科学家，利用Ar原子标记的红外光解离光谱技术（或称标记光谱学）测量了C₆₀V⁺Ar在250–1700波数范围的高分辨红外谱。结合量化计算和分子动力学模拟，研究人员发现Ar原子与C₆₀V⁺之间的相互作用非常微弱，使得Ar标记对C₆₀V⁺的几何结构和振动特征影响极小。通过进一步的Cosine相似指数比对和异构化路径分析，研究确定钒阳离子结合在巴基球五元环上方的结构为实验中发现的结构。同时，该结构也是理论计算预测的最稳定结构，其稳定性起源于巴基球与钒离子之间的轨道相互作用与静电相互作用。该研究为探究富勒烯衍生物的结构与性质提供了一个可靠的实验方案，同时也为理解富勒烯与金属之间的相互作用本质提供了重要信息。

科研成果

论文题目

《五元环、六元环或桥位？金属钒阳离子在巴基球表面结合位点的确认》

（Pentagon, Hexagon, or Bridge? Identifying the Location of a Single Vanadium Cation on Buckminsterfullerene Surface）

发表期刊

《美国化学会志》（Journal of American Chemical Society）

论文链接

https://doi.org/10.1021/jacs.3c08451

文章作者

西安交通大学物理学院侯高垒教授设计领导了该研究，为论文的通讯作者，博士生徐健智为论文第一作者。参与此工作的有荷兰FELIX的Joost Bakker教授和Olga Lushchikova博士以及比利时鲁汶大学的Peter Lievens教授和Ewald Janssens教授（共同通讯作者）。西安交通大学物理学院和物质非平衡合成与功能调控教育部重点实验室为论文的第一单位与通讯作者单位。

近期热文速递

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内容来源 / 机械工程学院 材料学院

化工学院 物理学院

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