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北京理工大学

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材料学院张加涛教授团队

在主族金属单原子锑（Sb）催化剂构筑及高效电催化CO2RR应用的研究中取得重要进展。本研究结果对原子尺度上合理设计和精确调控CO2RR的主族金属（Sb、In、Sn、Bi等）催化剂具有重要的指导意义。

物理学院杨帆教授研究团队

揭示了准晶超导系统的两个独特性质：一是库伯对的自旋自由度和空间角动量解耦，这使得无论自旋单态还是三重态的库伯对都可以具有奇或偶的空间角动量；二是在破坏时间反演的超导态中有体的自发超流。这两个性质均来自系统平移不变性的缺失，对准晶超导系统具有一般性。

物理学院张向东教授课题组

基于Wannier类型的零维拓扑角态，设计并制备出了具有高品质因子和小模式体积的二维拓扑光子晶体微腔，观测到了基于拓扑角态的低阈值激光，并证实了单量子点与拓扑微腔弱耦合的Purcell效应。

生命学院徐伟教授课题组

开发了基于液相迁移电泳、纳米孔电喷雾离子源及非变性质谱的一系列方法与仪器，实现了生物大分子立体几何结构的快速、高通量的解析。

物理学院路翠翠副研究员团队

实现了国际上尺寸最小的基于智能算法的偏振路由器件。首次揭示了二维谐振环阵列产生拓扑相变内在条件，并给出了由耦合强度与增益损耗量共同决定的解析关系。

机械与车辆学院周天丰教授团队

提出去耦合机制将表面浸润性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，通过在两个结构尺度上分别进行最优设计，为超疏水表面创造出具有优良机械稳定性的微结构“铠甲”，解决了超疏水表面机械稳定性不足的关键问题。

材料学院张加涛教授团队

合成了非对称配位的CuS1N3单位点催化剂，并实现了其在电催化氧还原（ORR）性能方面的突破性进展

材料学院董宇平教授课题组

在主客体掺杂室温磷光领域有了重要突破，开发了一系列具有不同磷光波长的有机RTP材料，可以实现RTP颜色从青色（502 nm）到橘红色（608 nm）的动态调整。

材料学院陈文星副研究员团队

制备了超薄碳纳米片负载的单原子Cu催化剂用于高效电催化氧还原反应（ORR）。得益于Cu原子与杂原子（N、S）掺杂调控的碳基载体之间的强协同作用，合成的Cu-SA/SNC单原子催化剂具有明显增强的ORR活性，在碱性介质中半波电位可以达到0.893 V vs. RHE

生命学院庆宏教授课题组

阐明了CA3在调控空间工作记忆中的关键作用，强调了MS-LCA3神经环路是单侧化功能的重要支撑。

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北理工在主族金属锑（Sb）单原子催化剂构筑及电催化二氧化碳还原（CO2RR）研究应用方面取得重要进展

近日，北京理工大学张加涛教授与陈文星副研究员与清华大学李亚栋院士、王定胜副教授团队合作，在主族金属单原子锑（Sb）催化剂构筑及高效电催化CO2RR应用的研究中取得重要进展，相关成果以“Discovery of Main Group Single Sb-N4 Active Sites for CO2 Electroreduction to Formate with High Efficiency”为题，发表于顶级期刊《Energy & Environmental Science》（IF：30.289）（文章DOI: 10.1039/D0EE01486A）。

二氧化碳的大量排放对气候变化产生了巨大影响，但是利用可持续能源发电，可以将二氧化碳转化为一系列高附加值产品。这一方式能够有效地解决能源短缺和环境问题。甲酸或甲酸盐是一类重要的储氢材料，也是许多工业反应中的关键化学中间体，电化学方法还原CO2生产甲酸或甲酸盐被认为是目前最具经济可行性的技术方案。陈文星等构筑了一种以Sb-N4为主体的Sb单原子催化剂（Sb SAs/NC）可以高效催化CO2RR转化为甲酸盐，Sb SAs/NC在−0.8 V （vs. RHE）下表现出高达94.0%的甲酸法拉第效率。原位X射线吸收精细结构（XAFS）研究和密度泛函理论（DFT）计算表明，优异的CO2RR活性来源于带正电的Sbδ+-N4（0<δ<3）活性中心。本研究结果对原子尺度上合理设计和精确调控CO2RR的主族金属（Sb、In、Sn、Bi等）催化剂具有重要的指导意义。

图1 Sb SAs/NC单原子催化剂的形貌表征

图2 Sb SAs/NC单原子催化剂的化学态和配位环境

图3 电催化性能和原位XAFS测试

图4 理论计算

上述研究成果得到了结构可控先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室和材料学院先进材料实验中心的平台支持，并得到了国家自然科学基金和科研院创新人才支持计划经费的支持。北理工材料学院硕士生研究生姜卓利为共同第一作者（排名第一），北理工陈文星副研究员、张加涛教授和清华大学王定胜副教授为共同通讯作者，北理工为第一通讯单位。

论文链接：

https://www.nature.cohttps://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee01486a/unauth#!divAbstractm/articles/s41467-020-15453-z

北理工在准晶超导研究方面取得新进展

近日，北京理工大学物理学院杨帆教授研究团队打破对单电子行为的描述，揭示了在准晶超导系统中由电子关联所驱动的超导的两个独特性质。相关论文发表在国际顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

　　准晶是一种奇特的晶体结构，有多重旋转对称性却没有平移不变性，具体到彭罗斯准晶，它是五维立方结构向两维的投影，其电子结构与周期性系统有本质区别。他们的工作揭示了准晶超导系统的两个独特性质：第一、库伯对的自旋自由度和空间角动量解耦，这使得无论自旋单态还是三重态的库伯对都可以具有奇或偶的空间角动量；第二、在破坏时间反演的超导态中有体的自发超流。这两个性质均来自系统平移不变性的缺失，对准晶超导系统具有一般性。

　　前人的工作大部分局限于对单电子行为的描述，对于从微观角度研究电子的关联行为还处于空白，而他们的工作着眼于此。他们从微扰论方法出发，使用费曼图技术将粒子-空穴形的激发计及在内，把周期性系统中著名的Kohn-Luttinger机制推广到了非周期性的准晶超导系统，构造出了二阶有效哈密顿量，并以此为基础对彭罗斯系统的超导性质进行了系统研究。借助大规模数值计算，他们得到了电子填充-相互作用的相图，相图表明在弱相互作用下，四种拓扑超导态中的三种会出现，均具有非平庸的拓扑数。进一步计算表明，这些拓扑超导态均破坏时间反演，因此会产生自发的体超流。

　　以上研究工作得到了国家自然科学基金委、北京理工大学青年教师学术启动计划的支持。

态空间超导序参量的模[a, b]和实空间超导序参量[c, d]。

[a, c]为单态s波，[b, d]为三重态d波。（d）中的等高图表示序参量的模、绿色箭头表示复数序参量的幅角方向。

在该论文中，北京理工大学为第一单位，曹业副研究员为第一作者，杨帆教授为通信作者。参与该论文工作的还有张用友副教授、刘玉波（杨帆指导的博士生）、刘铖铖教授以及南方科技大学的陈伟强教授。

论文链接：

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.017002

北理工在拓扑激光和腔量子电动力学研究方面取得新进展

近日，北京理工大学物理学院张向东教授课题组与中科院物理所许秀来研究员课题组以及半导体所牛智川研究员课题组合作，在拓扑激光和腔量子电动力学研究方面取得新进展。他们基于Wannier类型的零维拓扑角态，设计并制备出了具有高品质因子和小模式体积的二维拓扑光子晶体微腔，观测到了基于拓扑角态的低阈值激光，并证实了单量子点与拓扑微腔弱耦合的Purcell效应。相关结果分别发表在Light: Science & Applications及Laser & Photonics Reviews上。

　　将拓扑学的思想引入到光学微纳结构的设计，对实现鲁棒性的光场调控具有重要意义。最近，以色列海法研究所的研究人员及其合作者利用拓扑保护的边界态构造了闭合环形腔，并利用该环形腔实现了激光效应，即所谓的拓扑激光(Science 359, eaar4003; eaar4005 (2018))。相比于传统激光器，基于拓扑边缘态的激光器在外界无序扰动的情况下，具有能量损耗低，激光发射效率高等优势。然而，目前所设计的拓扑激光器尺寸较大，阈值高，通常需要几毫瓦的泵浦才能产生激光效应。进一步实现低阈值的纳腔激光，对实现高效可集成的拓扑光源具有重要的意义。

图（1）理论设计和实验制备的具有零维拓扑角态二维光子晶体微腔

　　该团队基于Wannier类型的零维拓扑角态和“在高阶拓扑绝缘体中存在零维拓扑角态”的理论支撑，设计出了一种二维拓扑光子晶体微腔，优化了其品质因子。该团队的理论进一步证明，将所设计的拓扑微腔和InGaAs量子点相结合可实现低阈值的拓扑纳腔激光。该团队的实验中，在含有不同密度的InGaAs量子点样品上制备不同参数的拓扑微腔，观测到了激射现象。其激光阈值仅为1个微瓦，比目前利用拓扑边界态实现的拓扑激光要小三个数量级左右。这种拓扑激光的高性能来源于拓扑角态的高品质因子和小的模式体积，它将拓扑光学的应用缩小到纳米尺度，显示了这种拓扑光子晶体微腔在拓扑纳米光学器件上的应用前景。

相关结果在Light: Science & Applications上发表。北京理工大学课题组负责相关理论方面的内容，实验部分由中科院物理所和半导体所课题组完成。北京理工大学张蔚暄博士和中科院物理所博士生谢昕为共同第一作者。北京理工大学张向东教授、中科院物理所许秀来研究员以及半导体所牛智川研究员为共同通讯作者。

在上述实验基础上，通过调节温度使低点密度的样品的单个量子点与拓扑角态共振，观测到了量子点荧光强度约4倍的增强。同时，测量共振与非共振状态下量子点的荧光寿命，观测到了共振状态下自发辐射速率的增强，证实了单量子点与拓扑微腔弱耦合的Purcell效应。这是首次利用拓扑微腔研究腔量子电动力学，为之后拓扑量子光学的研究打下了基础。由于这种拓扑光子晶体微腔易于集成，所以对未来拓扑光学在量子信息处理及拓扑光学器件等领域的发展具有重要意义。相关结果发表在近期Laser & Photonics Reviews上。中科院物理所博士生谢昕和北京理工大学张蔚暄博士为共同第一作者。

图（2）（a,b）拓扑激光。拓扑角态荧光强度（a）和线宽（b）随激发功率的变化。阈值约为1μW。（c,d）单个量子点与拓扑角态的弱耦合。(c)不同温度下的荧光光谱。当量子点（QD）与腔共振时，荧光强度增强约4倍。（d）共振（红色）与非共振（黑色）状态下的荧光衰减曲线。共振时的衰减速率约为非共振时的1.3倍

　　这些工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省重点研发项目、中科院B类先导专项、中科院科研仪器设备研制项目以及中科院创新交叉团队的支持。

相关文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-020-00352-1

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.201900425

北理工在生物分子结构解析质谱仪器研究方面取得进展

为了突破电镜和质谱技术在生物分子三维结构分析方面的瓶颈，我校生命学院徐伟教授课题组在国家自然科学基金仪器专项、优秀青年科学基金等项目的资助下，开发了基于液相迁移电泳、纳米孔电喷雾离子源及非变性质谱的一系列方法与仪器，实现了生物大分子立体几何结构的快速、高通量的解析，相关成果在ACS Central Science、Chem. Sci.、Anal. Chem.等顶级期刊上发表系列文章。

图1 液相离子迁移电泳与非变性质谱结合快速测量生物分子立体几何尺寸

课题组采用具有高稳定性、高重复性的液相离子迁移电泳技术与仪器，利用Laminar flow取代了传统的电渗流，通过引入Taylor扩散实现了样品分子的分离、半径和分子有效带电量的同时测量（Wenjing Zhang, … Wei Xu*, Chemical Science, 2019, 10, 7779-7787）。为了获取生物大分子较全面的立体结构，课题组进一步将离子迁移电泳与非变性质谱技术相结合，以气相非变性质谱实验获得了分子的溶液可及表面积、液相迁移电泳实验获取了分子体积，再结合流体力学Stokes Flow方程，最终获取了蛋白及蛋白复合体的三维几何尺寸信息（Haimei Wu, Rongkai Zhang, … Ye Xiang* and Wei Xu*, Chemical Science, 2020, 11, 4758-4765），该方法可应用于蛋白-小分子复合体结构研究（Jie Hong, …Muyi He* and Wei Xu*, Analytical Chemistry, 2020, 92, 5200-5206）。基于液相离子迁移原理，课题组进一步开发了液相离子阱装置，在液相条件下实现了离子的富集、选择性传输与顺序弹射分析。通过该装置，不仅可以实现复杂样品的分离，也可以将质谱仪器的检测灵敏度提升100倍以上（Jie Hong, … Wei Xu*, Analytical Chemistry, 2020, doi: 10.1021/acs.analchem.0c01261）。

图2 纳米孔电脑喷雾离子源及其与质谱联用

课题组通过测量分子在穿越微米到纳米尺寸的电喷雾喷口时引起的喷雾电流的扰动，提出了纳米孔电喷雾离子源的概念与原理。目前初步实现了微生物等颗粒的三维几何尺寸测量。该方法与质谱仪器相结合，未来可大幅提高质谱技术的未知物鉴定和三维结构解析能力（Yu Zhang, Yang Tang,… Wei Xu*, ACS Central Science, 2020, 6, 6, 1001–1008）。

图3 小型化质谱仪的研究

徐伟教授课题组长期致力于谱学仪器的研发与应用，实验室以微小型化质谱仪、结构解析质谱新技术为主要研究方向。在离子阱质谱仪的基础理论研究、交叉学科（流体力学、电磁学）大规模并行离子轨迹仿真、小型化质谱仪的研制、微流控芯片、液相离子迁移电泳仪器的研发等领域进行了深入的研究，并面向应用，着重将质谱仪器的研究与航天、反恐、生物医疗等领域的应用紧密结合。团队开发了国际上第一款小型化的电泳-质谱联用仪，发展了国际上首款小型连续大气压接口质谱仪，发展了液相离子阱、结构解析迁移电泳等技术。团队的多项专利已经实现产业化转化，产品服务于基础科研、防化反恐、海关、药物监管、电力传输、环境监测等多个领域。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acscentsci.0c00622

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.0c01261

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sc/d0sc01965h

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/sc/c9sc02039j#!

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.9b05745

北理工在纳米光子学和拓扑光子学取得重要进展

近日，北京理工大学物理学院路翠翠副研究员与北京大学胡小永教授合作，实现了国际上基于智能算法尺寸最小的偏振路由器件，以封面形式发表在光学领域知名期刊《Advanced Optical Materials》上。首次揭示了二维谐振环阵列产生拓扑相变内在条件，并给出了由耦合强度与增益损耗量共同决定的解析关系，研究成果发表在物理学领域顶级期刊Physical Review Letters上。此外，他们受光学领域顶级期刊Advances in Optics and Photonics编辑邀请，撰写综述文章，也是我校首次在该顶级期刊发文。

　　以光子为信息载体的集成纳米光子器件在光通信、高性能计算、光互联等领域有着广泛的应用。偏振路由纳米器件是片上光子集成器件的重要组成部分，能够将入射的不同偏振光分离并引导到不同的输出端口。偏振路由纳米器件典型的传统实现结构包括光栅、光波导、光子晶体、金属表面等离激元模式、超构材料等，难以同时实现尺寸超小、大带宽、高透过率和低损耗的高性能偏振路由纳米器件。且在设计过程中结构参数优化需要大量的计算资源和较长的时间，优化过程存在严重的局限性。

　　北京理工大学物理学院路翠翠副研究员等人将遗传算法和有限元法结合，发展出对不同结构、不同材料、不同波段、不同模式等都适用的智能算法，能够设计超小尺寸的片上集成光子器件。该团队利用智能算法设计出多种易集成的平面结构，将入射的TE和TM模式路由到不同输出端口，选用微纳工艺成熟的硅基材料进行了实验。受已有条件限制，器件的制备和测试在北京大学物理学院完成。

该器件工作在近红外波段，最大透过率为85%，两种偏振模式输出对比度超过11 dB，器件尺寸仅为970 nm × 1240 nm，是目前已知实验报道中的通过算法设计的尺寸最小的偏振路由纳米器件。每个单元结构的平均位置误差容忍度20 nm左右，在当前的微加工技术精度以内。同时，为了实现从空间光到片上传输的高效率耦合，用所发展的智能算法设计出高效耦合的无序光栅结构，分别作为TE和TM模式的耦合端。该工作为实现片上偏振路由纳米器件提供了一种高效、通用的实现方法，也为片上集成全光器件的实现带来新的启发和通用的设计思路，将极大地促进纳米光子集成器件的发展，及其在高密度集成度光子芯片中的应用。

相关研究工作发表在Wiley出版社的《Advanced Optical Materials》期刊上，被Materials Views China科技网站和微信同时进行了报道。两江科技评论也将该团队的研究成果选为期刊封面进行了亮点报道。

图 由耦合强度γ和增益损耗量κ决定的二维拓扑相图。拓扑相界面由数学关系tanγ=cosh(2κ)描述。

在拓扑光子学方面，与北京大学物理学院胡小永教授合作，发现在二维PT对称构型的耦合谐振环阵列光子拓扑绝缘体中存在拓扑相变；并且揭示了产生拓扑相变的内在条件：首次给出了由耦合强度与增益损耗量共同决定的解析关系。相关研究成果发表在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上，特别感谢回复审稿意见过程香港科技大学物理系C. T. Chan教授和清华大学物理系刘永椿副教授的帮助。

　　拓扑光子学是光学领域十分活跃的研究方向，非厄米拓扑体系因其存在更丰富的物理现象及重要的应用潜力在近年来受到关注，但是非厄米拓扑系统的内在物理十分复杂，因而在二维非厄米拓扑光子体系中实现拓扑相变以及精确的主动调控面临巨大挑战。他们采用传输矩阵方法分析了满足PT对称性的耦合谐振环阵列光子拓扑绝缘体，通过计算体系能带结构证明了该非厄米体系中存在拓扑相变，并通过代数分析得到了描述拓扑相变发生条件的解析关系式，由此解析关系即得到了该非厄米系统的一个二维拓扑相图。研究结果显示，通过对系统主环外加泵浦的方式，即可在拓扑非平凡态与平凡态间切换。这一发现为调控光子拓扑绝缘体拓扑相变提供了一个新的维度，对主动调控拓扑态的进一步发展具有指导作用，并对非厄米拓扑光子学的进一步研究具有启发意义。

此外，他们受光学领域顶级期刊美国光学学会《Advances in Optics and Photonics》期刊编辑邀请，撰写了七十余页的综述文章“Photonic molecule quantum optics”，全面概述了光分子量子光学的基本原理、研究现状和发展趋势，为快速发展的光分子量子光学领域提供一个通用的框架，包括实现结构和材料框架、基本物理机制、在集成光子器件中的应用、面临的挑战和发展方向及展望。文章发表后成为该期刊当月下载量最高的十篇文章之一。

　　以上研究工作得到了国家自然科学基金委、北京理工大学青年教师学术启动计划、国家重点研发计划、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心和北京市科学技术委员会等的支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202070039

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.013902

https://www.osapublishing.org/aop/abstract.cfm?uri=aop-12-1-60

北理工在《Nature》上合作发表封面文章：给超疏水表面披上“铠甲”

6月3日，《Nature》正式刊发了北京理工大学周天丰教授与电子科技大学邓旭教授团队和芬兰阿尔托大学Robin H. A. Ras教授的研究成果“Design of robust superhydrophobic surfaces”，并被选为当期封面。该论文提出去耦合机制将表面浸润性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，通过在两个结构尺度上分别进行最优设计，为超疏水表面创造出具有优良机械稳定性的微结构“铠甲”，解决了超疏水表面机械稳定性不足的关键问题。

仿生荷叶的超疏水材料由于其独特的固-液界面性质，在表面自清洁、生物防污、防水抗结冰、流体减阻以及传热传质等领域展现出了巨大的应用潜力，随之又发展出了一系列如超亲水、超疏油等超浸润系统理论。微/纳米粗糙结构在机械载荷下会产生极高的局部压强，使其易碎易磨损。此外，磨损会暴露底层材料，改变表面的局部化学性质使其从疏水性变成亲水性，导致水滴钉扎。长期以来，人们认为表面的机械稳定性和超疏水性是相互排斥的两个特性，正所谓“鱼和熊掌，不可兼得”。因此，如何保证在拥有良好超疏水性能的同时，又能实现较强的机械稳定性，是当前超疏水材料面对实际应用亟待解决的关键难题。

微结构铠甲的设计

铠甲化超疏水表面展现出优秀的机械稳定性

该团队通过去耦合机制将超疏水性和机械稳定性拆分至两种不同的结构尺度，首次提出微结构“铠甲”保护超疏水纳米材料免遭摩擦磨损的概念。玻璃铠甲化表面在集成高强度机械稳定性、耐化学腐蚀和热降解、抗高速射流冲击和抗冷凝失效等综合性能的同时，实现了玻璃铠甲化表面的高透光率，为该材质应用于自清洁车用玻璃、太阳能电池盖板、建筑玻璃幕墙创造了必要条件。北京理工大学发挥其在玻璃微纳结构制造方面的优势，利用玻璃模压成形法实现了倒金字塔阵列微结构的玻璃铠甲制造。该论文创新的设计思路和通用的制造策略展示了铠甲化超疏表面非凡的应用潜力，将进一步推动超疏水表面进入广泛的实际应用。

倒金字塔阵列微结构的玻璃铠甲制造

此外，周天丰团队在两级微纳结构制造领域取得新进展。国际材料领域顶级期刊《Materials and Design》发表了北京理工大学周天丰教授在两级虹彩结构设计及制造领域的原创性研究成果“Generation of high-saturation two-level iridescent structures by vibration-assisted fly cutting”。

微纳两级虹彩结构的设计与制造

该研究成果中，周天丰团队设计制造了微沟槽组成的衍射光栅微纳两级结构，建立了两级结构形状与衍射颜色的映射关系，并通过编码可以直接诱导出虹彩图案。团队首次提出了变频振动辅助飞刀切削加工（VAFC）方法，开发了VAFC试验平台，通过数值模拟仿真优化加工参数，实现了具有高饱和度和均匀性的两级虹彩结构高效超精密制造。该微纳两级结构有望在多色印刷，微显示器/投影仪，商标防伪，隐形隐身方面得到应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2331-8

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108839

北理工在非对称配位铜单位点催化剂及氧还原性能方面取得重要进展

近日，北京理工大学张加涛教授与陈文星副研究员在催化剂的原子界面调控合成方面，与清华大学深圳研究生院的李佳教授以及清华大学李亚栋院士、王定胜副教授团队合作，合成了非对称配位的CuS1N3单位点催化剂，并实现了其在电催化氧还原（ORR）性能方面的突破性进展，相关成果以“Engineering unsymmetrically coordinated Cu-S1N3 single atom sites with enhanced oxygen reduction activity”为题，发表于顶级期刊《Nature Communications》（IF：13.811）（文章DOI: 10.1038/s41467-020-16848-8）。

　　先进的燃料电池和装有氧电极的金属-空气电池的发展为未来发展可持续能源提供了新的机遇。其中提高非Pt类催化剂的氧还原反应（ORR）性能是关键瓶颈问题。ORR中间产物在活性中心的吸附强度可以通过调节金属中心原子的界面结构来降低势垒，从而提高催化活性。张加涛教授和陈文星副研究员等提出了一种原子界面策略，并构建了显著提高ORR活性的非对称Cu-S1N3单原子界面催化剂。该催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR活性，其半波电位高达0.918 V，远优于同类催化剂。基于同步辐射的X射线吸收精细结构（XAFS）研究以及密度泛函理论（DFT）计算表明，低价的（+1）CuS1N3作为ORR的活性位点，有效提高ORR活性，并展示了足够的性能稳定性。该局域结构调控策略可以促进先进的氧电极反应以及其他电化学过程的研究，为真正解决ORR反应催化剂的卡脖子问题提供了新的途径。

图1 CuS1N3单位点催化剂的形貌表征

图2 原子层面的局域高分辨结构表征

图3 电催化性能测试

图4 原位XAFS测试

图5 DFT理论计算

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16848-8

北理工在宽范围颜色可调的超长有机磷光材料研究方面取得进展

室温磷光（RTP）材料具有长寿命、持久发光的特性，适用于光学记录、防伪等，同时又可以应用于高对比度背景独立生物成像。但是传统的RTP材料以无机贵金属掺杂为主，具有不可持续生物相容性低等缺点。所以开辟有机RTP材料具有重要的实际意义，近年来通过将客体材料嵌入到刚性或晶体基质中，制备新的RTP已经有报道。然而，传统的理论认为基体的刚性结构限制客体分子的分子运动，从而提高其辐射跃迁速率促进其磷光发射；此外，刚性宿主有利于避免与湿度和氧气对三线态激子的猝灭。随着科技的发展，研究者逐渐意识到刚性主体分子在掺杂材料的发光过程中不仅仅起到物理性机械限制的作用，两者发生的能量协同作用也是掺杂材料具有RTP性质的重要因素。

　　我校材料学院的董宇平课题组在国家自然科学基金的资助下，在主客体掺杂室温磷光领域有了重要突破，开发了一系列具有不同磷光波长的有机RTP材料，可以实现RTP颜色从青色（502 nm）到橘红色（608 nm）的动态调整。相关成果发表在顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上。在室温下，单纯主体和客体分子都没有磷光，但是将客体分子掺杂到宿主分子中（最低摩尔比1:20000），可以得到最长寿命达0.7 s，最大磷光量子产率达到18.2%的RTP材料。作者利用主体具有较低熔点这一特性，直观证明了主体限制客体分子的运动仅是掺杂材料具有室温磷光性质的必要条件。通过红外瞬态吸收以及一系列对照实验，作者首次证明了掺杂材料中主-客体能量传递的协同作用也是掺杂材料具有室温磷光的重要因素。

图1.（a）客体和主体的分子结构。（b）主客体磷光材料的示意图。（c）掺杂结晶材料的荧光（虚线）和磷光（实线）光谱。插图为有/无UV照射的客体/TPAs掺杂材料的照片。（d）以TPAs为主体的主客体材料的磷光衰减曲线，激发波长：370 nm。（e）具有不同DQD（摩尔比）的DQD/TPAs结晶粉末的荧光（上）和磷光（下）图像。

　　该团队进一步研究了掺杂材料在具有防伪和保密性能的安全油墨方面的应用。由于具有不同客体的掺杂材料在高温下具有较大差异性的发光强度，因此利用不同的掺杂材料对温度的敏感性不同这一性质，制备了三组分掺杂材料。该三组分系统具有优异的磷光热致变色特性，即在室温下材料显示出绿色磷光，温度升高以后掺杂材料会逐渐显示出橙色磷光。这一材料应用到名贵字画的防伪中，在不损害字画的价值和观赏性的前提下可实现荧光、磷光和变色磷光的三重高级防伪。

图2.（a）主客体材料在15-65 oC温度范围内的原位磷光强度变化。（b）在不同温度下去除激发源之前（中间）和之后的花朵照片。DTA-DQD/TPP掺杂材料（c）在不同温度下的磷光波长和强度；（d）在四个循环中原位磷光波长变化；（e）在不同温度下的磷光颜色变化；（f）在书法和艺术品防伪中的应用。

此外，该团队又探索了掺杂材料在防伪打印方面的应用。把主体化合物附着在商业性A4纸以及不具有荧光发射的普通纸上，将客体分子溶解在实验室常用溶剂如二氯甲烷中以用作油墨，在纸张上即可进行手写绘画或者进行喷墨打印。由于商业性A4纸具有很强的荧光背景，在日光灯和紫外光照射下均不能得到相应的信息，所以只有在去除紫外光照射后的几秒内呈现动态的颜色变化。该油墨打印出的证件具有极大的防窃取性。

图3.（a）蝴蝶在移除激发源前后在滤纸上的照片。（b）在A4纸上以油墨印刷方式印制的徽章在移除激发源前后的照片。印刷的样品是结晶薄膜。

　　该研究成果的共同第一作者分别是我校材料学院的博士生雷云祥、戴文博，北京大学的博士生关键鑫。通讯作者为我校材料学院的董宇平教授、蔡政旭特聘副教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202003585

北理工在碳基单原子催化剂界面调控方面取得系列进展

现代工业快速发展的同时也带来了日益严峻的能源与环境问题，可持续能源的应用为这两大问题的解决带来了新的机遇，发展高效廉价的催化剂对能源转化来说至关重要。由于具有极高的原子利用率和相对均一的活性中心，单原子催化剂已经成为当前研究热点。碳基载体负载的单原子催化剂在电化学能源转换方面（如ORR、OER和HER等）具有广阔的应用前景。陈文星副研究员自2018年入职北京理工大学以来，一直致力于开发普适高效的碳基单原子催化剂界面调控方法，借助同步辐射等多种表征手段并结合理论计算，对催化性能、反应机理等进行了系统深入的研究，以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.，Energy Environ. Sci., Nano. Lett. 和Chem. Sci.等顶级期刊上发表系列文章。

　　研究小组成功制备了超薄碳纳米片负载的单原子Cu催化剂用于高效电催化氧还原反应（ORR）。得益于Cu原子与杂原子（N、S）掺杂调控的碳基载体之间的强协同作用，合成的Cu-SA/SNC单原子催化剂具有明显增强的ORR活性，在碱性介质中半波电位可以达到0.893 V vs. RHE。此外，根据同步辐射XAFS分析及DFT计算发现，键长收缩的Cu(+1)-N4-C8S2原子界面结构为ORR的催化活性位点，Cu与碳基载体协同作用，对中间吸附的反应自由能进行调节，从而对ORR活性增强起至关重要的作用。

图1 Cu(+1)-N4-C8S2原子界面结构调控及原位XAFS表征

该研究小组进一步通过原子界面策略构建了硫改性的碳基过渡金属Mn-N-C单原子催化剂（MnSAs/S-NC），该催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR活性，其半波电位为0.916 V vs. RHE。同步辐射原位XAFS测试表明，在ORR过程中，键长伸长的低价Mn-N4-CxSy原子界面是ORR过程的活性位点。

图2 硫改性的碳基过渡金属Mn-N-C单原子催化剂提高ORR性能

碳基Mn单原子材料还是一种很有前途的ORR和OER双功能催化剂。该研究小组设计了一种Mn-N2C2单原子双功能电催化剂，在碱性条件下ORR半波电位（E1/2）高达0.915 V vs. RHE，OER过电位为350 mV（10 mA cm-2）。利用原位XAFS方法结合DFT理论计算发现低价Mn2+-N2C2原子界面是ORR反应的实际活性位，而高价Mn4+-N2C2原子界面则为OER过程的真实反应位点。原子界面上Mn与碳载体间原子和电子的协同作用可调节中间吸附产物的反应自由能，对于含氧电极催化反应活性的提高起重要作用。

图3 可用于ORR和OER双功能催化的Mn-N2C2界面结构的原位研究

此外，研究小组还与清华大学的王定胜教授合作，利用金属有机骨架封装三苯基膦原位磷化的方法设计了一种局域结构为Co1-P1N3的非对称原子界面，测试表明该结构具有优异的电催化HER性能，在酸性介质中，在10 mA cm-2下的过电势为98 mV，Tafel斜率为47 mV dec-1，优于CoN4界面结构和其他对比催化剂。

图4 Co1-P1N3非对称原子界面结构的原位磷化法设计

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee02974e#!divAbstract

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sc/d0sc02343d#!divAbstract

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01925

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c02229

北理工在《Nature Communications》发文探究小鼠海马CA3区在空间工作记忆中的单侧化功能

　　6月9日，北京理工大学生命学院庆宏教授课题组在《Nature Communications》上以“The lateralization of left hippocampal CA3 during the retrieval of spatial working memory”为题发表研究长文。生命学院博士生宋达、杨清湖，生命学院教授闫天翼和上海中医药大学副研究员王德恒为该论文的共同第一作者，生命学院教授庆宏和特别副研究员全贞贞为共同通讯作者。

　　阿尔茨海默病（Alzheimer’sDisease，AD）是一种常见的发生在老年人群中的中枢神经系统退行性疾病，其早期临床表现主要以记忆障碍为主，逐渐发展为全面的认知功能衰退。其中，空间工作记忆受损往往出现在阿尔茨海默病的早期。该研究阐明了CA3在调控空间工作记忆中的关键作用，强调了MS-LCA3神经环路是单侧化功能的重要支撑。

海马CA3在空间工作记忆中起到重要作用，但是CA3在空间工作记忆的哪个阶段起作用，以及CA3的单侧化功能是否体现在空间工作记忆中尚不清楚。该工作利用光纤记录技术发现小鼠CA3的神经元活动性在空间工作记忆的编码和检索阶段均有升高，而左侧CA3神经元在选择阶段作出正确选择时显示出更高的活动性。随后, 利用在体电生理技术发现左侧CA3神经元在选择阶段有先于右侧CA3神经元放电的趋势；接着利用光遗传学技术发现，在选择阶段只有抑制左侧海马CA3神经元活动性可以损坏小鼠在空间工作记忆中的表现。最后利用逆行病毒载体示踪技术发现上游脑区内侧隔核（MS）向左右侧CA3区不同类型神经元的投射有所区别，光遗传抑制MS-LCA3环路能够损害小鼠在空间工作记忆中的任务表现，并且显示出该环路调控CA3单侧化功能。

　　基于MS-CA3神经环路在调控空间工作记忆中发挥的作用，研究组后续将探讨该环路在AD模型鼠中的受损情况，同时利用光遗传技术调控该环路来改善AD模型鼠的认知功能。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16698-4

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出品：党委宣传部

来源：校园网

编辑：徐梦姗 张楠

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