新春启新程，近期科研进展速览

蛇年新气象，起航新学期

合工大科研工作者们

踔厉奋发，步履不停

近期取得了一系列

新成果新进展

随官微一睹为快

01

能源转换与存储材料研究领域

材料科学与工程学院吴玉程教授团队连续在国际著名学术期刊《Advanced Functional Materials》发表三篇研究文章，在电催化还原CO2催化剂、锂硫电池和锂离子电池负极材料等方面取得系列研究成果。

团队通过低温介导的超声剥离工艺，将商业Cu粉破碎成为暴露不同活性晶面的高活性Cu超细纳米颗粒，用于高效电催化还原CO2生成C2H4。所制备的Cu纳米颗粒电极表现出较高的催化活性，CO2转化成C2H4法拉第效率高达81.5%，在-0.93V下的最大局部电流密度为1.1Acm-2。原位拉曼光谱显示，Cu-5电极具有丰富的CO2吸附和质子化活性位点，可以有效地将CO2转化为*CO中间体，导致电极表面具有较高的局部CO覆盖率，促进了C-C偶联生成C2H4。原位ATR-FTIR和DFT计算的综合结果证明了CO-CHO与C2H4偶联的反应途径，强调了Cu-5电极中Cu（100）面的存在降低了*COCHO形成的能量势垒。该工作设计了一种易于获得的超细铜纳米颗粒催化剂，用于高效生产C2H4，为电催化CO2还原技术提供了一定的参考。

图1 Cu超细纳米颗粒电催化CO2还原性能

团队针对高能锂硫电池（Li-S电池）性能受限于硫氧化还原反应（SRR）的缓慢动力学和中间产物多硫化物锂（LiPS）“穿梭效应”的关键瓶颈，设计并成功构建了一种Janus型V2O3/VN异质结构嵌入的莲藕状多通道氮掺杂碳纳米纤维（MNCNF）的自支撑硫载体（V2O3/VN@MNCNF）。理论计算结合实验研究结果表明：V2O3/VN界面电荷重分布诱导形成的内建电场，通过发挥V2O3吸附功能优势、VN高催化活性及界面增强的电子/离子传输，促进了多硫化物在V2O3/VN异质界面平稳快速的“捕获-迁移-转化”，从而加速了双向硫转化。碳纳米纤维中的分级多孔网络有助于电子/离子快速输运，同时也为载硫提供了充沛空间，并物理限制了LiPS扩散穿梭和电极体积效应。因此，基于该硫电极组装的Li-S电池在高硫负载（6.0mg·cm-2）和贫电解液（7.5 μL·mg-1）条件下，实现了高达4.92mAh·cm-2的面容量，150圈循环后容量保持率仍高达94.8%。该工作为锂硫电池电催化剂的合理设计提供了理论指导，也为锂硫电池的商业化应用提供了新的可能。

图2 V2O3/VN@MNCNF的设计思路和异质界面作用机制

团队针对金属有机框架（MOF）导电性差、储锂容量低、储锂机理不明晰等问题构建了一系列对苯二甲酸基MOF纳米片，并证明此类MOF电极可以通过原位电化学重构策略为高效储锂提供一种替代方案。通过同步辐射、原位XRD，原位拉曼等表征技术发现对苯二甲酸MOF纳米片，在初始的锂化/去锂化循环中经历逐步的组分和结构重构；在热力学驱动下，金属节点和对苯二甲酸配体分别转化为金属氧化物和对苯二甲酸锂，形成更稳定的Li─O键。在组分重构的同时，MOF纳米片也演变成一种独特的多孔状“梅子布丁”结构，其中氧化物纳米晶被对苯二甲酸锂包裹。同时原位EIS技术表明MOF纳米片电极重构后，其离子电导率得到显著改善。优化的NiCo–BDC纳米片电极能够在0.1A·g-1的电流密度下提供高达1582.4 mAh·g-1的比容量，经过2000次循环后，在2A·g-1的电流密度下保持502.6mAh·g-1的可逆比容量。该工作提出电化学重构开发高效MOF电极的新策略，突破了MOF在储能应用中的瓶颈。

图3 MOF纳米片储锂过程中的成分重构

图4 MOF纳米片储锂过程中的结构重构

团队与加拿大国立科学研究院Shuhui Sun院士、中国科学技术大学余彦教授、安徽师范大学王鹏教授课题组分别开展合作，全面依托先进能源与环境材料国际科技合作基地、清洁能源新材料与技术学科创新引智基地（111计划）、安徽省先进纳米能源材料国际科技合作基地、先进功能材料与器件安徽省重点实验室和安徽省先进复合材料设计与制造工程中心等高水平科研平台，相关研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划项目、安徽省自然科学基金、中国博士后基金、中央高校基本科研业务费专项等支持。

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02

量子点光催化制氢研究领域

化学与化工学院李伸杰、陈艳艳课题组在量子点光催化制氢研究领域取得新进展，相关研究成果以“High-Density Donor-Acceptor Pair Mediated Carrier Transport Dynamics for Hydrogen Production Performance Promotion Based on Non-Stoichiometric Quantum Dots”为题发表在国际著名学术期刊《ACS Nano》上。合工大为第一通讯单位，化学与化工学院硕士生丁凯为论文第一作者，李伸杰、陈艳艳及安徽工程大学林伟伟老师为通讯作者。

量子点（QDs）被认为是最佳的太阳能光电转换材料之一，在各类光催化反应中得到了广泛的应用。I-III-VI族量子点是一类高效的光捕获材料，但特殊供体-受体对（D-A对）的存在使得光催化过程中载流子的动力学变得复杂，多种类型缺陷导致的综合效应使得研究单一类型的缺陷对载流子动力学的影响颇具挑战。因此，系统的研究D-A对缺陷对量子点内载流子动力学的影响成为了亟待解决的问题。

图1 量子点的D-A对密度分析及密度泛函理论计算

研究团队针对这一问题，利用过量无机S2-配体钝化银铟锌硫量子点（Ag-In-Zn-S QDs）的表面缺陷，系统地研究高密度供体-受体对（D-A对）在光催化过程中对载流子分离和转移路径的影响。通过密度泛函计算证明了过量无机S2-配体取代MPA的可行性。研究结果揭示，量子点中的D-A对缺陷可以有效地分离载流子，由其D-A对产生的固定能级位置的缺陷为光生电子-空穴的分离提供了新的路径，并能高效“储存”载流子。在此基础上，研究团队利用量子点内D-A对中存储的载流子与纳米片中的In空位形成的内建电场，构筑了类Z型量子点-纳米片异质结材料，性能测试表明，异质结的光催化产氢速率得到大幅提升，最高可达初始量子点产氢速率的近1400倍（80.7 mmol·g−1·h−1）。

这项研究利用I-III-VI族量子点内的高密度D-A对介导的载流子传输动力学促进了高效光催化析氢，为构建量子点/纳米片异质结光催化剂提供了一种可行的策略以及光生电荷转移的机制。

图2 量子点/纳米片异质结的性能表征及光催化产氢机理

该研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、高值催化转化与反应工程安徽省重点实验室、中央高校基本业务经费等项目的资助。

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03

超快激光加工研究领域

仪器科学与光电工程学院吴思竹教授、劳召欣教授课题组在超快激光加工领域取得多项研究成果，相关论文分别发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》、《Small》和《Corrosion Science》。

研究团队将飞秒激光加工引导的双向对称毛细力自组装用于手性光学结构加工，提出了一种基于角度补偿和pH调控策略的双向对称手性微结构原位制备方法。该方法采用飞秒激光直写构建pH智能响应性水凝胶微柱阵列，巧妙利用溶液蒸发产生的动态毛细力驱动自组装过程，通过将智能材料动态响应特性与激光微加工精准操控相结合，突破了传统手性结构调谐困难的瓶颈。为克服传统智能材料变形不对称的问题，团队引入了结构角度补偿与pH协同调控策略，并建立了手性结构参数化设计模型。通过涡旋光探测技术，验证了所制备手性微结构的对称涡旋二色光谱特性。该进展以“Bidirectionally Symmetric Self-Assembly of Switchable Chiral Microstructures Based on Angle Compensation and pH Regulation Strategy for Chiroptical Metamaterials”为题于2025年2月11日发表在《Advanced Functional Materials》。

图1 飞秒激光加工引导的对称调谐手性自组装

研究团队设计了一种电热-磁复合驱动的形状记忆微夹持器（EM-SMP）。该微夹持器通过飞秒激光加工技术实现高精度制造，并在形状记忆聚合物基体中嵌入Fe₃O₄颗粒和电阻丝，从而能在电流和磁场作用下实现快速响应（响应时间约为0.9s）。该设计在操作过程中仅在夹持器张开时施加磁场，闭合则通过电热触发的形状记忆效应完成，使其能够在无磁干扰的情况下安全夹持磁性物体，并在冷却后实现无需能耗的稳定锁定状态。此外，其独特的爪形结构有效提升了负载能力，自重负载比高达2380，显著增强了夹持性能。该进展以“High-Load Shape Memory Microgripper with Embedded Resistive Heating and Magnetic Actuation”为题于2025年2月3日发表在《Advanced Functional Materials》。

图2 EM-SMP夹持器工作机理示意图

研究团队设计了一种磁/光双响应形状记忆夹持器。通过将Fe₃O₄纳米颗粒嵌入形状记忆聚合物（SMP）基体，赋予材料光热转换与磁响应特性。基于飞秒激光加工与模板复刻技术，制备了可精确调控的微结构夹爪。在近红外光（NIR）与环形磁场协同作用下，夹爪通过光热效应软化并受磁力驱动展开至临时开合态；撤去磁场后，其形状可固定，而再次施加NIR则触发形状记忆效应恢复闭合态。实验表明，该夹持器可操控跨尺度物体（微米级液滴至厘米级金属件），最大负载达自身重量的1730倍，并能在密闭空间内精准转移固体与液体。此外，其成功应用于多种微液滴操控及液态金属电路控制，为微创手术器械与工业精密操作提供了创新解决方案。该进展以“A Versatile Dual-Responsive Shape-Memory Gripper via Additive Manufacturing Toward High-Performance Cross-Scale Objects Maneuvering”为题于2025年1月24日发表于《Small》。

图3 磁/光双响应形状记忆微爪磁热协同驱动与跨尺度操控

研究团队提出飞秒激光表面处理（FLSP）新策略。通过调控激光功率（100–400mW）在LPBF钛合金表面构建周期性纳米波纹与微纳分级结构，结合空气暴露加速Ti²⁺氧化为Ti⁴⁺，形成致密TiO₂钝化膜。实验表明，FLSP处理后的样品在3.5%NaCl溶液中腐蚀电流密度（icorr）由2.05μA/cm²降至0.044μA/cm²（降幅97.8%），钝化电流密度（ip）降低70.8%，且呈现多层钝化行为。XPS分析证实，空气暴露30天后，表面Ti⁴⁺占比提升，氧化膜厚度与致密度显著增加，有效阻隔Cl⁻侵蚀。经过45天浸泡实验，FLSP处理样品未出现明显局部腐蚀，验证了其长效防护能力。该进展以“Femtosecond laser-induced micro/nanostructures facilitated multiple passivation and long-term anti-corrosion property of laser powder bed fused Ti-6Al-4V alloy”为题于2025年1月30日发表于《Corrosion Science》。

图4 飞秒激光诱导微纳米结构促进合金的多重钝化和长期防腐性能

课题组与中国科学技术大学吴东教授、香港中文大学张立教授课题组等分别开展合作，相关研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、合肥工业大学优秀青年人才培育计划等项目的支持，系列进展可以为先进制造、集成传感器、智能机器人、生物医疗等领域提供重要技术支撑。

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来源 | 材料科学与工程学院 化学与化工学院

仪器科学与光电工程学院

图片 | 皮致远 张庭语

责编 | 卫婷婷

投稿邮箱 | hfutxcb404@163.com

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