西安交大多领域攻克“卡脖子”难题

近期

西安交通大学科研团队

在多领域破解难题

努力产出一系列原创性成果

攻克“卡脖子”难题

一起来了解

在锂电池回收领域

实现正极材料修复再生新突破

研究背景

直接回收技术被认为是解决废旧锂离子电池环境污染与资源浪费问题的有效途径。然而，传统熔融盐回收方法主要依赖于缓慢的热驱动过程来实现锂离子的传输，导致表面预锂化效率较低，从而限制了失效正极材料的修复效果。在高温处理过程中，若预锂化不足，材料内部可能发生不利的相变，这些相变进一步阻碍了锂空位的有效修复。即便随后经过高温煅烧和锂离子浓度梯度补充，修复后的正极材料电化学性能依然难以达到理想水平。因此，优化废旧正极材料的表面预锂化过程，提升其修复与再生效果，对于实现锂电池回收利用的可持续发展具有重要意义。

▲传统熔融盐热驱动下缓慢Li+传输与基于Li+准Grotthuss拓扑化学传输对失效正极修复效果示意图

科研创新

针对传统熔融盐回收方法中存在的预锂化效率低、正极材料再生效果受限等问题，近日，西安交通大学郗凯教授、丁书江教授、唐伟教授和贾凯助理教授团队，联合清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授，提出了一种基于Li+准Grotthuss拓扑化学传输机制的高效失效正极材料再生策略。研究团队在传统熔融盐体系中引入了含有苯甲酸锂的特殊分子结构，使原本依赖热驱动、无序扩散的Li+传输，转变为准Grotthuss型拓扑化学传输，大幅提升了锂离子向正极表面的传输速率，确保了预锂化过程的高效性与均匀性。

这一策略不仅避免了高温处理过程中因预锂化不足导致的不利相变，更在后续高温退火阶段有效修复并重构了失效正极材料的结构。得益于Li+准Grotthuss拓扑化学传输机制，再生后的正极材料表现出优异的循环稳定性，其电化学性能可与商业化正极材料相媲美。

破解金属玻璃中剪切带形成机制

研究背景

金属玻璃（又称非晶态合金）因其内部原子堆垛的无序结构，展现出高强度、高弹性等优异力学性能，但也使其在塑性变形过程中易发生纳米宽度的局域剪切带（shear bands）。剪切带的形成与扩展往往诱发材料的脆性断裂，严重制约了金属玻璃在工程领域的推广应用。

剪切带的形成和演化是一个涉及原子尺度至宏观尺度的多重耦合过程。由于其在微秒时间尺度下发生，传统实验手段难以直接观察其原子机制；另一方面，传统分子动力学模拟受限于计算成本，往往采用远高于实验条件的冷却速率（>10¹⁰ K/s）制备金属玻璃模型，导致所得结构状态与真实材料存在很大偏差，难以实现剪切变形机制的准确还原。因此，揭示剪切带如何萌生与传播的微观机制成为凝聚态物理、材料力学与计算材料科学交叉领域中的前沿难题。

科研创新

西安交通大学金属材料强度全国重点实验室材料创新设计中心（CAID）丁俊教授和马恩教授带领的研究团队基于其先前开发的高效分子动力学-蒙特卡罗耦合模拟方法，成功研究了Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀非晶合金在冷却速率跨越9个数量级（从与实验铸造条件相当的104 K/s到常见分子动力学模拟速率1013 K/s）下的结构演化与剪切带变形行为。

研究结果表明，与超快速冷却样品相比，缓慢冷却样品中剪切带的各种性质均变化（升高/降低）明显（图1）。进一步分析发现，结构状态的演变导致剪切带延展机制发生了定性转变。在超快速冷却的样品中，剪切带扩展呈现间歇性特征，表现为多个剪切变形区的顺序激活和合并，而这些剪切变形区之间由涡漩场隔开。相比之下，缓慢冷却的样品表现出连续且快速的剪切带传播，由局部剪切软化和大型涡漩场的形成介导，其结构响应具有更强的集体性。这种机制的转变来源于不同结构状态下激活剪切变形区的数密度和空间分布的显著差异（图2）。

图1 超快淬火和缓慢冷却的Mg65Cu25Y10非晶样品中剪切带的微观性质

图2 剪切带前沿传播至样品中部时的原子级机制

该研究首次从原子层面揭示了结构状态对剪切带传播机制的决定性作用。这些发现为非晶合金中剪切带的初始形成与传播的微观动力学提供了全新见解，强调了如何通过调节金属玻璃结构状态来控制剪切带行为。这为优化非晶合金的机械性能以满足特定工程应用需求带来了新的机遇。

在模块化合成制药工业

关键中间体－手性β-芳基乙胺研究中

取得重要进展

研究背景

手性β-芳基乙胺骨架是内源性神经递质、生物活性天然产物和药物分子中的经典药效团，具有广泛的药理活性。目前，多个基于该骨架的药物分子已获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，例如芬诺多泮（治疗严重高血压）、文拉法辛（治疗抑郁症和焦虑症）、丙克拉莫（治疗帕金森病和阿尔茨海默病）、尼拉帕尼（治疗卵巢癌）以及氯卡色林（治疗肥胖症）。此外，乙基和芳基部分的结构多样性对分子的药代动力学特性具有显著影响。尽管现有不对称催化技术在手性β-芳基乙胺的合成方面取得了一定进展，但这些方法通常依赖于预功能化的含氮π体系底物，且产物多样性有限。因此，开发一种模块化、立体专一且结构多样的手性β-芳基乙胺合成方法具有重要意义，这将有助于拓展该骨架的化学与生物空间，推动小分子药物研发的源头创新。

过渡金属催化的迁移交叉偶联反应作为构建碳-碳键的强大策略，近年来取得了显著进展。其中，镍催化体系因其独特的反应特性，在烷基亲电试剂的远程官能化领域展现出突出的优势。镍催化剂可通过双电子β-氢消除/迁移插入的经典途径，实现活化位点向偶联位点的迁移及氢原子的转移。然而，该领域仍存在两个关键性挑战：一方面，相较于成熟的氢原子迁移体系，基于杂原子（特别是氮原子）官能团迁移的交叉偶联反应研究严重滞后；另一方面，现有方法在实现立体选择性控制方面面临巨大困难，不对称版本的杂原子迁移偶联反应几乎未见报道。这些挑战不仅制约了复杂含氮分子的高效构建，也限制了相关药物分子的多样性开发。

科研创新

基于上述背景，西安交通大学药学院黄渊教授团队提出了镍催化的自由基1,2-氨基迁移级联还原偶联反应新策略。该研究以简便易得的β-氨基醇磺酸酯为反应原料，通过与烷基磺酸酯、烯基磺酸酯或卤代物以及芳基卤代物反应，高效合成了一系列制药工业关键中间体－手性β-芳基乙胺衍生物。

其突破性进展体现在：1.反应模式创新：首次实现了自由基1,2-氨基迁移与还原偶联反应的协同作用，突破了传统还原偶联反应的局限，为碳-氮键活化提供了新思路。2.配体设计突破：成功开发了结构新颖的手性双咪唑啉配体，有效解决了不对称Csp3-Csp3偶联反应中的立体选择性控制这一长期存在的挑战性问题。3.合成应用价值：建立了高效构建手性β-芳基乙胺骨架的通用平台，实现了包括丙克拉莫在内的多种含氮生物活性分子的简洁合成，展示了重要的药物研发应用前景。4.机理研究深入：通过实验与理论计算的有机结合，阐明了卤交换、Ni-C均裂和自由基1,2-氨基迁移三个关键步骤的协同机制，为发展新型迁移偶联反应提供了理论基础。

该工作通过“新反应模式-催化剂设计-机理解析”三位一体研究，不仅提出了过渡金属镍催化偶联化学的新机制，同时也解决了制药工业关键中间体－手性β-芳基乙胺衍生物精准合成难题，有望为含有该核心结构的药物（如神经系统药物和心血管药物）的研发提供重要的合成方法和理论指导，具有显著的学术价值和潜在的工业应用前景。

在锂-二氧化碳电池研究领域

取得重要进展

研究背景

化石能源的持续消耗引发大气CO2浓度急剧攀升，进而加剧了温室效应、海洋酸化等连锁生态危机。为构建碳中和导向的清洁能源体系，亟需发展兼具碳固定与储能双重功能的前沿技术。锂-二氧化碳（Li-CO2）电池凭借其超高理论能量密度（1876 Wh kg-1）及CO2资源化利用特性，成为深海探测、地外基地等密闭高CO2环境的理想供能方案。

深入研究表明，Li-CO2电池的电化学性能与放电产物的理化性质存在强关联性。当前体系存在三种典型反应路径：以Li2C2O4为最终产物的路径需特定催化剂诱导；而不论是以Li2CO3和CO为主要产物的路径还是以Li2CO3和C为主要产物的路径，都受限于Li2CO3的高化学稳定性。这种宽带隙绝缘体不仅直接抬高电化学反应的热力学势垒，其高结晶度的致密堆积特性更显著抑制CO2ER动力学。因此，如何通过催化剂设计实现Li2CO3的非晶/低晶化生长模式调控，成为破解CO2RR/CO2ER双路径动力学瓶颈的关键。

科研创新

为了解决这一问题，西安交通大学化学学院丁书江教授、杨国锐副教授团队提出了电子局域化加速CO2RR，进而强化Ir-O耦合，诱导低结晶度Li2CO3产物从而优化CO2ER进程的晶格压缩策略，该策略使得Li-CO2电池实现了超低过电位（0.33 V）以及超高能量效率（~88.7%），并且在电池运行超过>1100小时后仍能维持3.3 V的稳定充电电位，这是迄今报道的最佳性能。

通过使用一系列原位/非原位表征以及理论计算，团队揭示了晶格压缩导致配位环境变化，从而增强电子局域化效应，加速催化剂表面附近的Li+迁移，使其快速参与CO2RR过程，进而受到强化的Ir-O耦合作用调变Li2CO3分子的对称性，降低其低结晶度，最终促进其高效分解。

来源：秦科技