领跑！交大科技力

1、西安交大科研人员设计“碱金属氟化物夹层结构”实现高效反型钙钛矿太阳能和室内光伏器件

2、西安交大科研人员在电催化制氢材料设计与性能调控方面取得系列进展

3、西安交大科研团队开发出具有高应变灵敏度的剪切响应柔性智能窗光学薄膜

4、西安交大科研人员在有机-无机铁电卤族钙钛矿材料设计研究中取得进展

5、西安交大研究人员首次在铁电陶瓷中获得极性拓扑态

6、西安交大科研团队激光辅助技术构筑多级结构铝微栅基阵列碳纳米管电极助力高性能超级电容器

7、西安交大科研人员在大规模储能水系有机液流电池领域取得重要进展

8、西交大科研团队构建纳米调节器实现肿瘤协同治疗

9、西安交大科研人员在城市热环境研究中取得新进展

10、西安交大科研人员在全球废物循环再生政策研究领域取得新进展

11、西安交大科研人员在混合卤化物钙钛矿材料相稳定性领域取得新进展

Nano Energy

近年来，有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池引起国内外广泛关注，高效率及高稳定性是主要追求目标。目前，随着薄膜及器件制备工艺的不断精进，光电转化效率得到飞速提升，界面问题越来越成为限制器件效率的关键。特别是钙钛矿与电荷传输层界面处的能级失配以及界面非辐射复合的出现，阻碍了电荷的有效传输，也限制着器件的长期稳定性提高。

针对以上钙钛矿太阳能器件中存在的问题，西安交通大学吴朝新教授课题组巧妙设计了一种“碱金属氟化物夹层结构”，分别修饰钙钛矿与电荷传输层间的上下界面，实现了效率和稳定性的双重提高。结合DFT理论计算，“碱金属氟化物-钙钛矿”螯合提高了钙钛矿表面VI的形成能势垒，有效抑制界面非辐射复合，显著提升器件开路电压；同时，碱金属氟化物界面修饰微妙地调控了钙钛矿上下界面的表面能级，保证电荷的有效传输且抑制电子空穴反向复合。此外，通过飞秒二次质谱仪及XPS测试，证实一层超薄且致密的碱金属氟化物层有效实现双向离子迁移抑制，作为物理阻挡层，是高稳定性的基本保证。采用“碱金属氟化物夹层结构”最终实现了反型器件22.02%的效率（认证效率20.4%），且实现了35.7% (1000 lux white LED light)的室内光电转化效率。

这项工作为界面调控实现高效稳定钙钛矿太阳能器件的设计开辟了新的途径，为未来设计兼具高效且高稳定钙钛矿太阳能及室内光伏器件提供了一个新策略。

第一作者为西安交通大学电信学部博士徐洁和郗俊，吴朝新教授、董化副教授、李璟睿特聘研究员和郗俊博士为通讯作者，西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。

Applied Catalysis B: Environmental

传统化石能源的枯竭与环境污染成为人类可持续发展面临的挑战性问题。氢能作为一种高能量密度的清洁能源，是未来极具发展潜力的能源之一。电解水阴极析氢（HER）是制备高纯氢的有效方法之一，其反应进程主要受制于阳极析氧反应（OER）较高的过电势，且电解水制氧更是目前公认最合理的空间站氧气补给技术。

因此，开发低过电势、快反应速率的HER和OER催化剂是突破相关技术瓶颈的关键所在。近日，西安交大材料学院表面工程研究室马飞教授和戴正飞研究员团队与国内外科研人员紧密合作，分别从晶内缺陷控制、层间金属脱嵌、外部界面构筑等角度设计开发了多种高效的析氢/析氧催化剂材料。

科研人员对三苯基铑进行高温热解还原，优化调控Rh2P纳米颗粒内的P空位（Pv），相比于理想Rh2P，Pv-Rh2P结构中氢原子结合距离缩短一倍，中间过渡态的活化势垒由1.39 eV降低至0.786 eV，显著提升了HER反应活性与动力学。在酸性和碱性电解液中Pv-Rh2P均展现出优异的HER性能，尤其在碱性介质中，10 mA cm-2电流密度下其过电位仅为4.3 mV，塔菲尔斜率为35.2 mV dec−1，是所报道HER催化剂过电位的最低值。

研究团队还基于晶格应力与原子替位的协同调控效应设计开发了一种高效稳定的OER析氧催化剂——层状钴酸钠基材料。利用层间碱金属离子电化学脱出过程引起晶格膨胀及面内收缩，连续调控材料的晶格应力，优化含氧中间体的吉布斯自由能，进一步通过低价态金属离子替代钴Co离子而提高Co的价态，利用高价态Co4+和Co(4+ɛ)+强的电子接收能力加速析氧反应。所制备材料展现出优于商用RuO2催化剂的析氧反应过电位（236 mV,电流密度10 mA·cm-2）和较小的塔菲尔斜率(48 mV·dec–1)，且稳定性良好，对开发低成本、高效能的析氧电催化剂具有重要的借鉴意义。

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室均为上述论文的第一作者单位。西安交通大学博士生/硕士生信红强、孙兰、张鹏飞分别为论文的第一作者。

先进功能材料

透光率可调的智能光学材料因其在光开关、智能窗、信息加密等领域的巨大应用潜力引起人们的广泛关注。然而，传统基于液晶、电/热/光致变色的智能窗材料因制备工艺较复杂，成本高，性能稳定性不足等原因，在实际生产和应用中受到极大限制。利用机械力驱动实现智能窗材料透光率的调控被证明是一种低成本、稳定、节能的智能窗实现策略。然而，目前机械力驱动的智能窗通常都需要较大的拉伸应变（通常>30%）才能实现光学透明/不透明状态的开关，这给实际应用带来很大不便，也容易造成基体材料疲劳损伤。因此，如何通过小应变来实现透光率的调控是此类智能窗材料需要解决的重要课题。

设计思路(A-C)、结构机理(D-G)和性能优化(H-J)

针对这一问题，西安交通大学研究人员借鉴“百叶窗”原理，巧妙地将磁性Fe3O4@SiO2纳米链在磁场辅助作用下垂直嵌埋于聚丙烯酰胺透明弹性聚合物基体中，成功构建了具有高应变灵敏度的剪切响应柔性智能窗光学薄膜。研究发现，膜厚为3 mm时，较小的剪切位移(1.5 mm)可使透光率在65%~10%之间可逆调控。光开关所需要的剪切位移只取决于膜的厚度而与面积无关，这使得该技术在实际应用中显示出了巨大的优势。同时，膜内纳米链的定向分布使得智能窗薄膜的透光性具有角度依赖的特征。

这种新型智能窗光学薄膜因其新颖的调谐机制、高剪切应变灵敏度和光学角度依赖性，在智能窗口、光开关、信息加密、防偷窥等领域具有广阔的应用前景。

西安交通大学物理学院博士生李佳宁为论文第一作者，卢学刚副教授、张垠副教授和杨森教授为论文通讯作者。

Materials Today Physics 

       太阳能是一种清洁、可再生的新型能源。光伏材料可以通过光电效应吸收太阳光，将太阳能转换成电能存储起来。在过去的十年中，以MAPbI3为代表的有机-无机卤族钙钛矿材料，因其超高的光电能量转换效率而备受关注。因为钙钛矿材料中产生的铁电极化可以极大地增强材料在光激发下载流子的分离能力，在很长的一段时间内，人们认为MAPbI3优异的光伏性能可能受益于由甲胺分子产生的铁电极化。然而，因缺乏直接的实验、理论证据，MAPbI3是否存在稳定的铁电极化仍饱受争议。因此，如何在具有三维周期性结构的有机无机卤族钙钛矿材料中引入稳定的铁电极化，则是一直未解决的问题。

       针对上述问题，西安交通大学前沿院缑高阳研究员与材料学院丁向东教授合作，提出在三维有机无机卤族钙钛矿材料引入不同价态的两种阴离子，利用多阴离子钙钛矿中各项异性配位环境而产生稳定铁电极化的新设计理念。借助第一性原理计算模拟，预测实验已合成的有机无机多阴离子钙钛矿MASbSI2为兼具I/S阴离子有序排布和稳定面外铁电极化的新型钙钛矿铁电光伏材料，并证实该材料因独特的块体光伏效应(bulk photovoltaic effect)，其在可见光辐照下的光电流密度甚至可以超越MAPbI3，且光电流的方向可通过外加电场进行有效调控，实现可控的稳定光电流输出。MASbSI2不仅可以取代MAPbI3，成为环境友好的钙钛矿光伏材料，同时还将极大地拓展有机无机卤族钙钛矿光伏材料在铁电领域的应用前景。

论文的共同第一作者为材料学院博士生赵民和美国麻省理工核科学与工程系汪华博士，缑高阳研究员和丁向东教授为共同通讯作者，西安交通大学为论文第一作者和通讯作者单位。

Nature Communications

        近日，材料学院孙军教授、丁向东教授、武海军教授与四川大学通力合作在无铅钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷的电畴结构调控方面取得重要进展。该团队利用精细化组分调控的手段，首次在块体铁电陶瓷中发现且证实了具有多极性拓扑构型的纳米尺度的泡状铁电畴结构。通过球差校正扫描透射电镜、压电力显微镜对泡状电畴里的拓扑形貌进行了实空间成像，并用相场模拟的手段揭示了观测到的现象源于强、弱自发极化铁电相的块体能、弹性能和静电能的相互调制作用。该工作为研究块体铁电材料中的拓扑电畴结构提供了一种新思路。

异质结掺杂的局域电场和熵调控机制

       薄膜材料可以有效控制极化场和退极化场，因而通过改变铁电层和顺电层之间的外延应力，在多层薄膜中可实现对拓扑电畴结构的操控。然而，这类有效的外延应力却不适用于块体材料，这也限制了这些具有丰富物理性能的拓扑结构在块体铁电材料中的应用。块体铁电材料的总自由能主要受共存相的块体能、弹性能和静电能的调制，这也决定了最终观察到的铁电畴的构型。弛豫铁电陶瓷作为一类具有优异的机电耦合响应的功能材料，近些年来吸引了越来越多的研究人员对其具有多相共存的微观结构开展研究。本文首次在块体铁电陶瓷中发现且证实了泡状铁电畴的存在，还指出了该类材料中极性斯格明子存在的可能性。

 西安交大为该论文第一通讯作者单位，材料学院武海军教授、四川大学吴家刚教授、新加坡国立大学Stephen J. Pennycook教授为共同通讯作者，材料学院宗洪祥副教授为论文共同第一作者。

Advanced Functional Materials 

传统化石燃料的不断消耗及其燃烧造成的环境污染和能源枯竭问题日益严重，开发可持续再生的新型清洁能源以及能源存储和转换系统已成为国内外研究热点和亟待解决的问题。超级电容器作为一种具有高功率密度和超长循环寿命的能量存储器件，近年来得到了广泛的关注和研究。超级电容器的性能主要取决于电极材料，传统制备电极的方式主要是涂布技术，这种方式虽然可以通过控制电极厚度来增加超级电容器的容量，但实际使用过程中由于电极材料过厚容易从集流体上脱落，从而影响电极循环寿命。

为了解决这一问题，研究者通常将活性材料通过原位方法生长在金属铝集流体表面作为电极来获得具有高容量的超级电容器。然而，以往的研究结果表明，直接使用铝箔作为基底生长活性材料存在活性材料负载量低且与基底结合较差等问题，严重影响超级电容器的比容量和能量密度等性能。因此，如何提高活性材料的负载量以及活性材料与集流体之间的结合强度仍是一个挑战。

针对这一问题，西安交通大学化学学院杜显锋教授团队采用激光刻蚀技术结合化学气相沉积法设计并制备了一种具有多级结构的铝微栅阵列碳纳米管（VACNTs）电极，与通过传统涂布方法制备的CNTs电极相比，Al微栅VACNTs电极具有更高的活性材料负载量(13 mg cm-2)，与集流体之间结合较好，并且表现出优异的电化学性能。当电流密度为13 mA cm-2时，电极的面容量高达1,300 mF cm-2，而且在高电流密度下（130 mA cm-2）循环20,000圈后容量保持率为90%以上。此外，由于集流体与活性材料之间具有良好的机械强度和柔韧性，在多次多角度弯曲后仍然表现出良好的性能。该项研究结果表明具有多级结构的Al微栅VACNTs电极在高性能、柔性和可穿戴超级电容器储能器件领域具有良好的应用潜力。

论文第一作者为化学学院新能源材料化学研究所博士生黄珊，熊礼龙副教授和杜显锋教授为通讯作者，西安交通大学为唯一通讯单位。

Advanced Functional Materials

近年来，太阳能、风能等可再生能源技术快速发展，然而这些发电方式受自然因素影响较大，具有明显的随机性和波动性，目前弃风、弃光等现象凸显。储能技术是将随机波动能源变为友好能源的关键，其技术变革对推动能源革命具有重要意义。水系有机液流电池以水溶性有机氧化还原活性分子作为电解质，其安全性高、成本低廉、性能易于调控且对环境友好，是一种极具发展前景的新型大规模储能技术。在众多液流电池有机活性物质中，氮氧自由基类活性材料原料丰富、价廉易得且具有相对较高的氧化还原电位（＞0.8 V vs. RHE），是一种综合性能优异的正极材料。然而，在充放电过程中氮氧自由基类分子易于发生副反应，进而导致电池容量快速衰减，使用寿命缩短。此外，活性物质的分子结构和电化学性能之间的内在关联尚不清晰，在分子结构设计方面也缺乏理论指导。

针对上述问题，西安交通大学材料学院宋江选教授团队从分子结构调控入手，设计合成了五元环吡咯类氮氧自由基衍生物，结合密度泛函理论模拟及实验分析，首次揭示了该类分子氧化还原电位与N-O自由基端电荷布局之间的内在关联。相比于传统的六元环氮氧自由基活性物质，五元环双键结构吡咯啉氮氧自由基（CPL）的氧化还原电位高达0.96 V (vs. RHE)，所组装水系有机液流全电池CPL/BTMAP-Vi展现出1.31 V的开路电压，在500次充放电循环内容量保持率高达99.96％/圈。这一研究工作极大拓展了氮氧自由基衍生物的选择范围，为此类材料在大规模储能领域的应用奠定了理论基础。

课题组博士研究生胡博和助理教授范豪为共同第一作者，宋江选教授为唯一通讯作者，西安交通大学为论文唯一通讯作者单位。

Biomaterials

低氧气含量、高过氧化氢浓度等肿瘤特有微环境被公认为是肿瘤生长的温床，对肿瘤的增殖、分化和迁移起着至关重要的作用。虽然一系列针对不同肿瘤微环境的刺激响应性纳米材料已经被开发出来，并与放化疗制剂相结合，在一定程度上实现了微环境触发的精准治疗。然而，如何在利用相应微环境的同时对其进行操纵，将促瘤微环境逆转为抑瘤微环境从而彻底破坏肿瘤赖以生存的“土壤”，进而实现高效协同治疗依然是个难题。

近日，西安交通大学化工学院陈鑫教授团队与空军军医大学金岩教授、刘世宇副教授团队以偶联血红蛋白(Hb)和亚铁离子(Fe2+)的聚多巴胺(PDA)为核，葡萄糖氧化酶(GOD)为壳，叶酸(FA)修饰的聚乙二醇(PEG)为冠，开发了一种肿瘤微环境纳米调节器。基于FA（肿瘤靶向剂）、Hb（供氧剂）、Fe2+（生成羟基自由基的催化剂）、GOD（消耗葡萄糖的催化剂）和PDA（光热剂）的协同作用，纳米调节器通过肿瘤靶向聚集、持续供氧、消耗葡萄糖、产生H2O2和HO·，以及光热转换等序列过程，对肿瘤组织内乏氧程度、葡萄糖含量、自由基浓度、局部温度等微环境进行有效操纵，实现了高效的肿瘤协同治疗。此外，引入的PEG链可有效防止血清蛋白干扰和免疫清除，而PDA作为抗氧化剂，既能不断地将被氧化的Fe3+还原为Fe2+为化学动力学治疗持续提供充足的催化剂又可以保护Hb免受治疗过程中自氧化所引起的供氧能力丧失。

该研究工作由西安交通大学化工学院陈鑫教授团队和空军军医大学金岩教授、刘世宇副教授团队合作完成，西安交通大学化工学院博士研究生袁萍耘、空军军医大学博士研究生窦庚为该文章共同第一作者，西安交通大学陈鑫教授与空军军医大学刘世宇副教授为共同通讯作者，同时得到了空军军医大学金岩教授、西安交通大学第一附属医院初大可教授的大力支持。

Remote Sensing of Environment 

城市是现代化的重要载体，也是人口最密集、污染排放最集中的地方，建设人与自然和谐共生的现代化，必须把保护城市生态环境摆在更加突出的位置。城市化不断将自然景观转化为城市地表，不可避免地对生态环境产生各种影响，包括生物多样性、生物地球化学循环、区域气候和人类健康。热环境是地表和大气能量平衡的表现，是生态环境的重要组成部分。城市地区的高温不仅加速了城市烟雾和污染空气的形成，而且增加了夏季能源和水资源的消耗。因此，了解地表温度的时空变化和不同城市形态的热影响对于改善城市人居环境，提高人民生活质量和节约利用能源具有重要价值。然而由于传统卫星平台的极地轨道性质，城市热环境的日内变化鲜有研究。

近日，西安交通大学人居学院李旭祥教授团队和新罕布什尔大学肖劲锋教授团队密切合作，利用国际空间站最新的ECOSTRESS传感器获取的陆地表面温度数据分析了西安市夏季城市热环境的日内变化，并结合城市气候分区理论将西安市近3000个社区单元划分为不同的局部气候区，量化了白天和夜晚不同时刻城市景观对地表温度的影响。研究结果表明在白天紧凑型建筑为主的城市景观相对于低密度建筑区域升温更快，低矮的区域比高层建筑为主的区域温度更高，在夜晚紧凑型建筑物比低密度建筑物区域温度略高但并不显著，建筑高度对夜晚温度影响不大。城市绿地，不透水层以及人口等因素都影响地表温度，它们之间的关系随时辰而变化。同时，以城市社区为研究单元可以降低城市地表温度日变化探索中卫星观测角度差异带来的不确定性。此外，该研究提出一种利用地球静止卫星数据来校正ECOSTRESS地表温度数据的方法，该方法可以对利用此类具有特殊轨道的传感器的遥感观测数据进行环境监测提供一定的指导。该工作对城市能源的节约利用和生态宜居城市的规划建设具有科学指导意义，在城市热环境研究领域具有很大的推广应用潜力和价值。。

西安交通大学人居学院博士生常悦为论文第一作者，新罕布什尔大学肖劲锋教授和西安交通大学李旭祥教授为通讯作者，西安交通大学人居学院为该论文的第一单位和共同通讯单位。亚利桑那州立大学助理教授Arian Middel，西安交通大学人居学院张云伟教授、顾兆林教授、吴一平教授等为论文合作作者。该研究工作是西安交通大学人居学院李旭祥教授课题组利用多源遥感卫星数据进行地表城市热岛日循环研究的又一成果。

自然

近年来，全球废物贸易逐渐成为国际社会的关注热点，尤其是在2017年后由于发展中国家担心本国在国际废物贸易中受到发达国家的废物转移而实施的废物贸易禁运使得全球废物贸易供应链发生重构，引起国际社会广泛关注。

然而，据研究表明，国际间的废物贸易并不单纯只有废物转移，其中也包含废物资源的循环再生利用，以此为目的的国际废物贸易由于过程中物质得到了循环再生利用可以产生资源环境效益，从全球尺度来讲这种废物贸易减少了对原生资源的消耗以及减少了相关产品在开采、加工等工业过程中的环境排放。因此，这种以废物循环再生为特征的国际贸易符合循环经济发展原理。基于此，文章提出为了区别于废物转移以及促进以废物循环再生利用为目的的国际贸易健康发展，国际社会需要建立相应的国际流通与监管机制以解决国际间废物贸易在废物循环再生数据共享、价值链重构等方面问题。

本研究是刘哲教授基于近年来在国际废物贸易领域的研究成果中提炼完成的。2018年其发表的研究成果揭示了国际间废物贸易中废物资源循环再生路径(Liu et al., 2018.Resources, Conservation & Recycling136: 22-23)；同年其发表的废物循环再生研究成果核算了废物循环再生利用对于环境效益的贡献(Liu et al., 2018. Renewable & Sustainable Energy Reviews 81: 1522-1529)；2021年发表的研究成果显示国际间塑料废物贸易在废物资源循环再生利用方面对于温室气体减排的贡献(Liu et al., 2021.Journal of Environmental Management287 (112283): 1-9)等。

西安交通大学公管学院人口与发展研究所刘哲教授为独立作者。

美国化学会能源快报

ACS Energy Letters

金属卤化物钙钛矿材料在太阳能电池、发光二极管、激光器、探测器等领域存着十分广阔的应用前景。其中，单结钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率已经由最初的3.8%上升至25.5%，达到了与硅基材料相媲美的程度。

同时，为了进一步打破单结太阳能电池的S-Q限制，科研工作者通过将钙钛矿材料与硅基材料串联的方式来提高其光电转换效率，已被认证的钙钛矿/硅串联器件的效率也已经超过29%。更优的带隙匹配可以更好地实现对太阳光的利用率，所以有必要提供一系列的带隙可调的钙钛矿材料。为了实现这一目标，通过调节钙钛矿材料中卤素离子（I-，Br-，Cl-等）获得的混合卤化物钙钛矿材料可以精确地调节材料的光学带隙。但经相关研究表明，混合卤化物钙钛矿薄膜在连续光照下存在着卤化物偏析现象，影响其光学稳定性和器件性能的稳定输出。科研工作者已经提出相应的理论模型来解释这一现象，光照下半导体内部产生的光生载流子，会与晶格相互作用产生局部极化子和晶格应变，应变浓度梯度为卤素离子的迁移提供驱动力。遗憾的是，仍然没有明显的证据来支持这一理论模拟。

针对这一问题，西安交通大学阙文修团队发现在持续的太阳光照射下，全无机CsPbI3-xBrx钙钛矿多晶薄膜除了会发生常规的光诱导相分离现象之外，紧接着还会出现新奇的光诱导自愈过程。通过进一步实验表明，在持续光照下，薄膜中的光生载流子会诱导晶格内部产生应变梯度，其会驱动卤素离子产生定向迁移，并逐渐到达卤化物分离的终端，即光诱导相分离过程。然而，一旦超过这一终端阈值，薄膜便会通过产生纳米级裂纹的方式来释放内部应变，即光诱导的自愈过程。该项研究可以帮助我们进一步理解混合卤化物钙钛矿材料所存在的光诱导相分离过程及其内部产生机理，从而制备出相稳定的光伏材料。

论文第一作者为电信学部电子科学与工程学院博士生国玉晓，阙文修教授和尹行天副教授为共同通讯作者，西安交通大学为唯一单位。