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锚定“双碳”目标，
加深拓宽学科交叉领域，
产教融合、协同育人，
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近期，西安交大科研人员在高比能钠离子电池正极材料、煤层气分离、治疗炎症性肠病、金属镁塑性变形行为和内在机制，噬菌体抑菌及抗菌、抗疟策略，大规模储能水系液流电池、空间共轭紫精、水环境低维受限条件下新物态和物性等领域相继取得重要进展。
｜目录｜
1、西安交大科研人员在高比能钠离子电池正极材料领域取得重要进展
2、西安交大科研人员在煤层气分离研究领域取得重要进展
3、西安交大科研人员在治疗炎症性肠病方面取得突破性进展
4、西安交大研究人员在金属镁塑性变形行为和内在机制领域取得新进展
5、西安交大科研团队在噬菌体抑菌及抗菌、抗疟策略领域取得重要进展
6、西安交大科研人员在大规模储能水系液流电池领域取得新进展
7、西安交大科研人员在空间共轭紫精研究领域取得重要进展
8、西安交大科研人员在水环境低维受限条件下新物态和物性研究领域取得重要进展
#01
西安交大科研人员
在高比能钠离子电池正极材料领域取得重要进展
发表期刊
《先进能源材料》
（Advanced Energy Materials）
《德国应用化学》
（Angewandte Chemie）
内容摘要
在国家“双碳”战略需求的背景下，钠离子电池凭借钠资源的低成本优势有望在未来规模储能领域实现广泛的应用。作为限制钠离子电池能量密度的关键部分，正极材料的能量密度和循环寿命一直备受广大科研工作者的关注。典型的层状氧化物正极材料在实际应用过程中一直面临着钠空位有序和大体积相变的基础科学问题，这直接了限制了这类正极材料的电化学性能和能量密度。
鉴于此，西安交通大学王鹏飞教授课题组提出利用Li 、Mg2 、Ti4 三种特定功能离子的协同效应有效解决了P2型正极材料低电压区域钠空位有序重排和高电压区域大体积相变的难题，设计的正极材料工作电压为3.57 V，可逆比容量达到134 mAh g–1，与硬碳负极匹配的全电池能量密度达到296 Wh kg–1。同时，王鹏飞教授团队通过高通量合成实验绘制层状相的热力学稳定相图，研制出一种P2和O3双相结构共生的新型层状正极材料，两相界面的“互锁效应”有效减小了材料充放电过程中结构应力和晶格错位概率，缓解了大尺寸钠离子脱嵌过程中的相变体积变化，得到了一种可逆比容量为144 mA h g–1，能量密度高达514 Wh kg–1的新型钠离子电池正极材料。
文章作者
论文的第一作者为电气学院承志伟博士，西安交通大学王鹏飞教授、肖冰教授、滑纬博研究员以及中科院化学研究所郭玉国研究员为共同通讯作者，论文第一单位均为西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室新型储能与能量转换纳米材料研究中心。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202103461
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202117728
#02
西安交大科研人员
在煤层气分离研究领域取得重要进展
发表期刊
《德国应用化学》
(Angew. Chem. Int. Ed.)(IF=15.336)
内容摘要
实现双碳目标，天然气是目前最现实的低碳清洁能源，但我国常规天然气产能不足，需开发煤层气等非常规天然气作为补充。煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是甲烷，是一种与煤共生、以吸附态存储于煤层内的非常规天然气，我国煤层气储量丰富，2020年探明的储量约为4200亿立方米。但超过70%的煤层气在开采时，由于开采技术（井下抽采）的原因混入了大量的空气，导致形成了低浓度的煤层气（甲烷浓度＜30%）而得不到很好的利用，低浓度的煤层气一般被直接排放到大气，造成了资源浪费和温室效应。所以现阶段煤层气的分离与提浓技术已成为煤层气开发和利用的行业瓶颈问题，是需要攻克的关键节点。
针对上述问题，西安交通大学化工学院杨庆远教授课题组研发了系列镍基-金属有机框架（MOF）材料，其中超微孔MOF材料Ni(ina)2具有甲烷/氮气选择性高（15.8）、吸附容量大（46.7 cm3/g）和分子扩散速率快（10.6-19.0 cm3g-1s-1）的特点,较好地解决了气体分离领域的“trade-off”效应，实现了煤层气中甲烷和氮气的高效分离。理论模拟计算和单晶结构解析表明Ni(ina)2和甲烷分子之间存在较强的作用力，可以从低浓度煤层气中选择性地捕获甲烷分子。另外，Ni(ina)2具有很好的热稳定性和化学稳定性，可以批量化制备，是一种理想的固体吸附剂，该工作为工业上煤层气的分离提供了新思路。
文章作者
化学工程与技术学院博士生王少敏为论文第一作者，杨庆远教授为本文通讯作者，西安交通大学化工学院为论文唯一通讯作者单位。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201017
课题组链接
http://gr.xjtu.edu.cn/web/qingyuan.yang
#03
西安交大科研人员
在治疗炎症性肠病方面取得突破性进展
发表期刊
《科学进展》
（Science Advances）
内容摘要
随着人民群众饮食习惯和生活方式现代化，炎症性肠病( IBD)发病率呈持续快速增长趋势。根据中国疾病预防控制中心预测数据，我国2025年IBD患者将突破150万人。IBD发病机制复杂，临床治疗以水杨酸类、糖皮质激素类和免疫抑制剂等抗炎药物治疗为主，病情易复发，长期用药常带来较大的经济和社会负担。因此，研发具有我国自主知识产权、性价比高的IBD新型治疗药物至关重要。
一附院普通外科佘军军主任医师、美国医学科学院院士与工程院院士梁锦荣教授、华南理工大学邵丹研究员合作研发了一种兼具游离DNA（cfDNA，细胞游离脱氧核糖核酸）捕获和活性氧簇（ROS）清除特性的生物活性纳米材料，这种无药物负载的纳米清除剂可显著降低肠道组织和腹腔灌洗液中cfDNA和ROS的水平，通过综合调控炎症反应和氧化应激，对多种炎症性肠病模型均取得较好疗效和生物安全性。同时，该材料具有高效的炎症组织靶向性和滞留性，相比于临床一线药物美沙拉嗪，该纳米粒子可以在更低给药频率的情况下取得更好的治疗效果，且具备较高的生物安全性。该生物活性纳米粒子制备简单，应用方便，可进一步作为载体担载相关药物实现IBD协同高效综合治疗，具有较好的临床转化前景。
文章作者
西安交大第一附属医院普通外科博士研究生石承昕和时飞宇为论文共同第一作者，佘军军主任医师、梁锦荣教授和邵丹研究员为共同通讯作者，第一附属医院普通外科为该论文第一和通讯作者单位，Med-X研究院和人才高地实验平台提供支持。
论文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj2372
#04
西安交大研究人员
在金属镁塑性变形行为和内在机制领域取得新进展
发表期刊
《自然·通讯》
(Nature Communications)
内容摘要
材料应变硬化的尽头通常伴随继续变形能力的消失和裂纹的产生。然而，对单晶镁沿轴压缩试验却发现，单晶镁可以通过变形诱导的自我多晶化来获得优异的继续变形能力。
镁是最轻的金属结构材料，在航空航天、交通运输、电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。然而，相比于传统金属材料，如钢铁和铝合金，镁的塑性变形加工较困难，工艺成本高，制约了其广泛应用。微观机制是决定宏观性能的内在因素，因此研发高塑性镁合金需要精准认知其微观塑性变形机制，相关研究也一直是镁合金领域关注的重点和热点。
众所周知，金属材料在塑性变形时一般会发生加工硬化现象，即随着变形量的增加，材料内部缺陷和损伤逐步累积，流变应力不断增加。当硬化到一定程度时，材料将不具备继续塑性变形的能力，最终发生断裂。对于金属镁而言，其沿晶体学轴压缩时加工硬化十分明显，塑性变形量一般仅在5%-10%左右。
针对镁的塑性变形行为和内在机制，西安交通大学单智伟教授团队近年来开展了系统深入研究。研究发现，对于亚微米尺寸的镁单晶，当沿轴压缩时，首先发生由锥面位错滑移主导的塑性变形（详见Liu et al. Science, 365 (6448), 73-75, 2019）。令人意想不到的是，随着加工硬化的不断加剧，原本认为塑性已消耗殆尽的样品并没有断裂失效。当流变应力升高到1 GPa水平时，样品突然被压为扁平状，且没有裂纹产生。此外，被压扁的样品已不再是单晶，而是由多个具有共轴取向关系的小晶粒组成，小晶粒内部有大量的基面和非基面位错。
图1 亚微米镁单晶柱在轴压缩下的变形过程 (a)初始样品 (b)位错的形成和运动 (c)在样品右下角形成的新晶粒（白色箭头） (d)新晶粒中产生位错（白色箭头） (e)样品被压为扁平状 (f)在扁平样品上采集的电子衍射 (g)应力-应变曲线显示出变形的三个阶段：弹性变形、塑性变形-加工硬化阶段、塑性变形-应变突跳阶段
通过系统的晶体学分析、显微学分析、原子尺度表征，并结合分子动力学模拟，该团队提出新晶粒是通过锥面-基面转变形成的。在新晶粒形成后，原本已消耗殆尽的塑性得到了再生，继续加载时样品仍可持续发生很大的塑性变形。该研究将这种由变形诱导的在基体晶粒中形成新晶粒的过程称为“deformation graining（形变转晶）”。该过程不必依赖扩散，可在室温下快速发生，所形成的新晶粒与基体晶粒具有特定的晶体学取向对应关系。在新形成的晶粒中，可以继续发生由位错和孪生协调的塑性变形，使得样品重新具有了塑性变形能力（可比拟为“返老还童”）。该研究丰富了对塑性变形机制的认识，为镁的变形加工提供了新的启发：在高应力或高应变速率下加工，可由高应力引发新的变形机制，进而提高镁的变形加工能力。
图2 新晶粒在加载时长大，卸载时缩小，二次加载时再次长大，反映了晶界的高可动性
图3 新晶粒及其晶界结构
文章作者
西安交通大学刘博宇教授为论文第一作者，西安交通大学单智伟教授为第一通讯作者，合肥工业大学张真教授为共同第一作者和通讯作者，西安交通大学马恩教授和美国麻省理工学院李巨教授为共同通讯作者。参与该工作的还包括西安交通大学博士研究生刘飞和杨楠、内华达大学李斌教授、吉林大学陈鹏教授、中国科学技术大学王宇教授和江苏科技大学彭金华博士。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一通讯单位。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28688-9
#05
西安交大科研团队
在噬菌体抑菌及抗菌、抗疟策略领域取得重要进展
发表期刊
《美国国家科学院院刊》
（PNAS）
内容摘要
细菌感染及抗生素耐药是一个全球性的问题，2019年约有150万人死于结核菌感染，130万人死于各种耐药菌感染。由于耐药现象日益严重，世界卫生组织预测至2050年耐药菌每年将造成一千万人的死亡。此外寄生虫引起的感染也不可忽视——2020年62万人死于疟疾（由顶复门类寄生虫疟原虫引起），而疟原虫对现有抗疟药物包括青蒿素都产生了耐药，加剧了防治疟疾的难度。
超级蛋白Gp46导致细菌体长无限变长，无法完成分裂进而死亡
针对上述问题，西安交通大学第一附属医院刘冰、王亚文团队及医学部王洪亮团队使用核磁共振技术从分子层面详细阐述了噬菌体Gp46蛋白通过与细菌类组蛋白结合而抑制细菌的详细机制，并指出这是世界上首次发现噬菌体编码靶向细菌类组蛋白HU的抑菌基因。超级蛋白Gp46在模式菌种的表达会引起菌体变长，拟核区消失，最终导致细菌死亡。
超级蛋白Gp46抑制细菌组蛋白的分子机制
该研究阐明了Gp46超级蛋白的广谱抑菌、杀虫能力的分子机制及全新的靶点等重要信息，对噬菌体、组蛋白领域、抗生素研发、抗疟药物研发等多个领域有着重要的影响。由于类组蛋白在细菌、顶复门类寄生虫中高度保守，因此Gp46是一种全新类别的广谱抗菌蛋白。研究发现，超级蛋白Gp46可以广泛抑制大部分细菌：包括金黄色葡萄球菌、鲍曼不动杆菌、肺炎克雷伯菌等大部分临床重要耐药细菌，以及顶复门类寄生虫（包括疟原虫、弓形虫），为以后耐药菌、疟原虫的防治奠定了重要基础。
文章作者
刘冰课题组博士后张沛沛博士、医学部博士生赵小惠、一附院王亚文教授为本文共同第一作者。王洪亮教授、刘冰教授为本文共同通讯作者。该研究由一附院引进人才刘冰教授主导，在医学部引进人才王洪亮教授和一附院检验科王亚文教授的共同支持下完成。
论文链接
https://www.pnas.org/content/119/9/e2116278119.short?rss=1
#06
西安交大科研人员
在大规模储能水系液流电池领域取得新进展
发表期刊
《德国应用化学》
(Angew. Chem. Int. Ed.)
内容摘要
在国家“双碳”战略目标驱动下，清洁能源如风电、光电等快速发展，未来将占据能源结构的主体地位。然而，清洁能源的发电方式存在间歇性、波动性和不可控的缺点，亟需低成本、大规模的储能系统予以稳定辅助。水系液流电池具有高安全、独立功率-容量设计等特点，有望解决制约清洁能源高效利用的瓶颈问题。
2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧基（TEMPO）类氧化还原活性分子以其环境友好、化学电位高、氧化还原可逆性好等优势，是迄今水系液流电池正极材料的理想选择之一。然而，水溶性TEMPO类分子易在充放电过程中发生不同程度的副反应如自催化氧化、歧化和开环反应等，使得分子结构发生降解或者失活。这些不利因素导致锌-TEMPO水系液流电池容量衰减速率快、服役日历寿命缩短，成为其规模化发展应用的主要瓶颈问题。
针对上述问题，西安交通大学宋江选教授团队采用取代基结构双共轭设计调控策略，在TEMPO核心结构—哌啶环的4取代位连续接枝具有p-π电子作用的酰胺基团和π-π电子作用的咪唑鎓基团，得到了一种氧化态和还原态均高度稳定的新型“共轭”TEMPO分子（MIAcNH-TEMPO）。作者通过原位拉曼光谱、紫外可见光谱和电子顺磁共振技术及密度泛函理论计算确证了分子氧化态和还原态的高稳定性及分子亲电、亲核两种进攻的FuKui函数变化。结果表明，酰胺和咪唑鎓基团接枝带来的p-π和π-π双共轭效应可显著促进TEMPO类分子中N-O自由基端（O1-N2）的电子均匀分布。更为重要的是，这一改变有效地抑制了水溶液中H 或OH-等物种对分子还原态和氧化态发生的亲电及亲核进攻性，大幅提升了TEMPO分子在电池充放电循环中的稳定性。以MIAcNH-TEMPO为正极，Zn为负极构建的1.5 M高浓度Zn/TEMPO水系液流电池容量衰减率仅为0.05%/天，相较参照体系减少90%，已基本满足长时储能市场对循环容量衰减率的要求。在该研究工作中所提出的p-π酰胺和π-π咪唑鎓双共轭结构设计首次从电子结构角度揭示了分子电子密度的离域化的独特作用。该策略可有效地提高氮氧自由基氧化态和还原态在电化学充放电过程中的稳定性能，拓宽了有机活性关键材料的设计及研究思路。
文章作者
材料科学与工程学院助理教授范豪为论文第一作者，宋江选教授为唯一通讯作者，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文唯一通讯作者单位。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202115908
课题组链接
http://jxsong.xjtu.edu.cn/
#07
西安交大科研人员
在空间共轭紫精研究领域取得重要进展
发表期刊
《美国化学会志》
（Journal of the American Chemical Society）
内容摘要
紫精类化合物作为经典的有机氧化还原物质，具有稳定的氧化态，优异的电子接受性和良好的氧化还原特性，因而被广泛应用于电致变色器件、储能，超分子自组装、主客体化学等领域。但是紫精本身存在能隙宽、共轭程度低和发光性能差等缺点。常见的改性方法主要是氮原子的一侧或两侧引入芳香族取代基，在两个吡啶单元之间引入共轭基团，或在吡啶单元之间桥连主族元素等。但这些方法并不能避免紫精过度还原形成中性状态，这也限制了紫精在自由基介导应用中的利用效率。
空间共轭（Through-space conjugation）作为一类重要的p电子离域体系，其最重要的特征是芳环的环相互作用取决于环面对面堆积重叠而不是通过共价键传输电子。空间共轭分子特殊的结构使其在聚集诱导发光、热激活延迟荧光等领域具有巨大的应用前景。同时，空间共轭结构本身能通过稳定分子内电荷转移，有效延缓电荷复合过程。可以预见，将空间共轭结构与紫精相结合，可以使紫精两个吡啶单元被分离但又能保持共轭电子云的均匀分布，避免了紫精过度还原成中性状态，同时还有望将紫精良好的氧化还原特性和空间共轭结构特殊的电子转移性质集于一身，在光催化领域中展现出优越的性能。
基于上述考虑，西安交通大学前沿科学技术研究院何刚教授课题组与化学学院张彦峰研究员课题组深入合作，首次将空间共轭结构引入紫精骨架中，成功制备了一系列空间共轭紫精衍生物（o-TPV2 ）。空间共轭紫精具有以下优点：一是通过空间共轭结构将两个吡啶单元隔开，可以防止紫精过度还原为醌式结构，提升了自由基稳定性；二是空间共轭结构可以稳定分子内电荷转移，延缓电荷复合过程，大幅提升了其在光催化方面的利用效率。空间共轭紫精成功被应用于有机光催化氧化偶联反应，实现了高达96%的产率。同时，作为电子转移剂修饰g-C3N4用于光驱动分解水制氢气，产氢量高达2404mmol h-1g-1。该工作不仅大幅拓宽了空间共轭分子和紫精体系，也为其在有机光催化领域的应用奠定了坚实的基础。
文章作者
西安交通大学前沿院和化学学院联合培养硕士研究生何奔为本论文第一作者，前沿院何刚教授为本文通讯作者，西安交通大学为本文唯一通讯作者单位。
论文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11577
何刚教授课题组链接
http://gr.xjtu.edu.cn/web/ganghe
#08
西安交大科研人员
在水环境低维受限条件下
新物态和物性研究领域取得重要进展
发表期刊
《美国化学会纳米》
（ACS Nano）
内容摘要
近年来，在水环境中低维系统或特定基底上发现具有独特物质晶体形态及新奇物化性质的低维物质相，如冰的四方相、六方相和具有异常价态的CaCl，不断地揭示自然界中未曾被注意到的基本物理机制。而探索和阐明受限空间和基底对水环境中离子自发成核与结晶的影响，为理解自然界中的水凝结（如雪花）、矿石形成（如宝石）和生物矿化（如硅藻）等复杂现象提供了重要启发和指导。作为最简单和最广泛研究的二元离子化合物之一，以NaCl为代表的碱卤化物通常被认为是被充分理解的,其中（100）晶面是块状立方体NaCl中能量最有利的表面，并被普遍认为是自然环境条件下水溶液中NaCl晶体的唯一形态。但是在过去的几十年里，许多理论研究表明碱卤化物在高压或低维状态下存在一种特殊的类石墨烯六方相，并可表现出奇特的物化性质。然而由于严重的技术挑战，这种新型六方相是否真实存在仍缺少相关的实验证据。此外，这种六方晶相形成的物理规则和这种晶相可能的物理特性也迫切需要通过实验揭示。
近日，西安交通大学物理学院张磊教授和张胜利教授课题组以冷冻透射电镜技术为基础，结合多种实验和理论分析方法，报道了环境条件下在水环境中还原氧化石墨烯（rGO）层间的准二维受限空间中由不饱和NaCl溶液自发形成的稳定类石墨烯六方相（h-NaCl），并实现了对这种六方相的近原子分辨率观察和原位表征。这是环境条件下类石墨烯六方NaCl相独立且稳定存在的首个实验证据。
在相同的实验参数下，科研人员同样观测到了在水环境中由不饱和LiCl溶液在rGO膜层间形成的类石墨烯六方相（h-LiCl），从而揭示了广泛存在于rGO层间的碱卤化物类石墨烯六方相的非经典成核途径，并讨论了这种新奇物相潜在的独特电子性质。结合对照实验、密度泛函理论（DFT）计算和以前的理论研究，溶质和rGO衬底之间的阳离子-π相互作用、阴阳离子之间的静电相互作用、溶质-溶剂相互作用和受限空间中热力学之间的微妙平衡协同导致了这种六方晶相的形成。这些发现阐明了基底和受限空间对新奇物质相形成的影响，并为碱卤化物类石墨烯六方相的制备提供了一个通用方案。
文章作者
西安交大物理学院博士研究生赵益民和张权为论文共同第一作者，张磊教授和张胜利教授为共同通讯作者。
文章链接
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c07424
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内容来源 / 西安交大新闻网
文图 / 电气学院 化工学院 材料学院
物理学院 前沿院 一附院
责任编辑 / 崔可嘉
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