研在合工大 | 材料、人工智能、工程表面设计等领域新进展
近期部分科研进展一览
1.电催化合成尿素研究
2.生物质功能碳材料研究
3.图像融合研究
4.固体基底形貌调控实现高效蒸发冷却研究
01
电催化合成尿素研究
尿素作为农业生产中最重要的氮肥之一，其工业合成通常依赖于能源和资本密集型的Haber-Meiser工艺，即CO2和NH3在高温高压下进行热化学偶联，这一过程不仅消耗大量的化石能源，而且导致严重的CO2排放。因此，探索由可再生能源驱动的新型尿素生产技术是实现社会可持续发展的重要途径。电催化还原CO2和含氮小分子合成尿素是一条新颖的技术路线。然而，由于C-N偶联反应中间产物之间存在高能量势垒，合理设计和构建具有高活性和选择性的催化剂是高效电化学合成尿素的关键问题。
针对上述问题，材料科学与工程学院吴玉程教授课题组王岩教授和博士后张剑芳等人研究了二维Bi2Se3纳米片在电化学还原CO2和NO3-中结构与性能的关系，采用原位表征技术揭示了重构产生富缺陷Bi纳米片的动态演变规律。研究结果表明，具有高晶界（GB）密度的Bi纳米片电催化活性更高，在-0.4Vvs.RHE下的尿素产率为4.6mmol h-1mgcat.-1，FE高达32%。理论分析表明，GB位点显著降低了反应中间体*CO和*NH2的形成能和C-N偶联能垒，使得在富缺陷的Bi催化剂上高效电合成尿素成为可能。
图1 超薄Bi2Se3纳米片在CO2和NO3-共还原过程中的动态结构演化
图2 电催化合成尿素的性能表征
课题组相关研究成果“Dynamic Reconstruction of Two-Dimensional Defective Bi Nanosheets for Efficient Electrocatalytic Urea Synthesis”在化学材料领域国际著名期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition, doi: 10.1002/anie.202318589）上发表。研究全面依托先进能源与环境材料国家国际科技合作基地、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等国家级、省部级科研平台，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。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202318589
02
生物质功能碳材料研究
在能源战略转型背景下，发展可再生洁净能源和高效储能装置对“双碳”目标的实现具有重要意义。针对这一重大需求，机械工程学院生物质低碳技术与装备研究所马培勇教授团队利用来源广泛的农林生物质与草酸钾在氮气氛围下直接共热解，成功制备出比表面积高、孔隙结构发达、碳层厚度可调的超薄二维多孔碳材料，在电化学储能方面展现出了极大的潜力。
研究发现，草酸钾在热解过程中首先作为反应物参与生物质热解反应，其分解产物碳酸钾则作为原位模板剂和活化剂。碳酸钾通过活化外层碳结构形成纳米孔，并调节碳材料的厚度和石墨化程度。研究还发现，在载气中添加0.2vol% NH3，可以在不破坏超薄二维结构的情况下，实现N原子掺杂并提高材料比表面积(1802m2g−1)。作为钠离子电容器的正极，该材料表现出优异的电化学性能，特别是在0.1Ag-1~2Ag-1的情况下，其容量保持率高达90.3%。二维多孔结构、高比表面积和丰富的吡啶-N含量显著增强了离子的传递和储存，优化了载流子的吸附和解吸。本研究可为开发低成本、绿色环保的二维多孔碳材料提供有益的参考。
团队相关研究成果“Efficient preparation of biomass-based ultra-thin 2D porous carbon materials by in-situ template-activation and its application in sodium ion capacitors”发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》。该研究工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金与安徽省重大专项项目的支持。机械工程学院2020级硕士研究生杨子健为论文第一作者。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310717
03
图像融合研究
图像融合技术能够有效综合同一场景下多幅图像包含的互补信息，被广泛应用于生物医学、安防、遥感等领域。图像融合客观质量评价对于融合方法研究具有重要的指导意义。然而，当前图像融合研究缺乏客观评价指标选取的统一标准，不同研究工作使用的评价指标可能存在较大差异，造成融合方法性能评估困难。
针对上述问题，仪器科学与光电工程学院生物医学工程系刘羽副教授课题组提出了一种基于统计学的方法，对多聚焦图像融合常用客观评价指标的有效性进行对比分析，其核心思路是使用Spearman等级相关系数（SRCC）等统计学中常用的相关性度量计算融合指标表现与有参考图像质量评价模型表现之间的一致性。同时，课题组提出了一种基于卷积神经网络的图像融合质量评价指标，利用网络不同层次特征实现更全面的融合质量评价效果。
课题组相关研究成果“Rethinking the Effectiveness of Objective Evaluation Metrics in Multi-focus Image Fusion: A Statistic-based Approach”在人工智能领域国际著名期刊《IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence》（IEEE TPAMI）上发表。该研究工作得到国家自然科学基金区域联合基金重点项目、面上项目的支持。刘羽副教授为论文第一作者，成娟教授为论文通讯作者。
04
固体基底形貌调控实现高效蒸发冷却研究
喷雾冷却是一种实现设备散热和温控的新型散热方式，借助液体蒸发相变实现高效散热，尤其对电子芯片和固体激光器等高功率设备散热具有巨大的开发和应用前景。然而，液滴撞击过程中通常存在飞溅和回收的现象，限制了喷雾冷却过程中界面散热的均匀性，阻碍了喷雾冷却过程中传热效率的提高。通过调节基底的表面形貌，实现可控的液滴撞击行为，有望解决这一问题。而前期关于表面形貌影响液滴的飞溅研究主要集中在表面的二维粗糙度，其中轮廓算术平均高度Ra作为决定临界飞溅条件是一个非常热点的问题。虽然表面的二维轮廓绘制在科学和工程领域得到广泛应用，然而，所有表面都是在三维而非二维空间相互作用的。实际工程表面的三维形貌非常复杂，而国际标准中的二维参数不足以对粗糙表面进行精确的定量描述，因此，无法深入了解表面形貌影响三相移动接触线（液滴飞溅）的物理机制和内在规律。其次，二维参数主要反映表面形貌截面轮廓的高度信息，而忽略了水平方向的轮廓信息，这直接导致二维参数与表面功能应用之间基本不存在相关性。
针对以上问题，机械工程学院摩擦学研究所刘焜教授团队研究了液滴撞击两种粗糙度相同但表面形貌完全不同的功能表面，发现负偏态表更易促进液滴飞溅，而正偏态表面抑制液滴飞溅。这主要是由于负偏态表面截留的空气使得液膜在表面呈现Cassie-Baxter状态，从而使液膜的稳定毛细力超过空气膜的失稳应力。研究还进一步从微观界面力学的角度分析了表面形貌对液滴铺展的影响和三相移动接触线的力学性能。最后证明了所设计的正偏态表面可以利用高效蒸发进行大面积散热。
图1 具有不同几何特征的三维表面形貌表征
图2 基底表面形貌对蒸发散热特性的影响
团队相关研究成果以“Suppressed Droplet Splashing on Positively Skewed Surfaces for High-Efficiency Evaporation Cooling”为题发表在《Small》期刊上。研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、安徽省自然科学基金以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。论文通讯作者为机械工程学院摩擦学研究所焦云龙副研究员，第一作者为机械工程学院2019级博士生王兆长。
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202307759
来源 | 材料科学与工程学院
仪器科学与光电工程学院、机械工程学院
责编 | 卫婷婷
投稿邮箱 | hfutxcb404@163.com
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