近期，陝西科技大學前沿院材料原子分子科學研究所、環境科學與工程學院陳慶彩團隊分別在《ACS Nano》《ES&T》等國際知名期刊發表14篇高水平論文。
材料原子分子科學研究所
近日，陝西科技大學前沿院材料原子分子科學研究所在許並社教授的帶領下在能源、環境、光電等領域取得系列重要研究進展，相繼在《ACS Nano》（IF=14.588）等國際知名期刊發表6篇高水平論文。該系列成果的取得標誌著陝西科技大學大力引進高層次人才的成效日趨凸顯，科研團隊和科研平臺的建設逐漸成熟，為學校科學研究和人才培養提供了強有力支撐，也將進一步提升陝西科技大學在材料科學領域的國際影響力。
1 蘇慶梅和杜高輝教授在抑制多硫化物的穿梭，提高鋰硫電池性能方面取得了重要研究進展。相關成果以「Tuningthe Band Structure of MoS2via Co9S8@MoS2Core-Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium-Sulfur Batteries」為題發表在國際知名期刊《ACS Nano》上。蘇慶梅、杜高輝和許並社教授為共同通訊作者，陝西科技大學為第一單位和唯一通訊單位。
由於理論能量密度高（2600 Wh kg-1），成本低以及元素硫的自然資源豐富，鋰硫電池被認為是儲能設備的極佳潛在替代品。但是，由於若干嚴重的技術挑戰，如可溶性多硫化鋰的「穿梭效應」，緩慢的轉化反應動力學，硫和放電產物（Li2S2/Li2S）的低電導率，以及在放電過程中高達80％的體積膨脹，使鋰硫電池的實際應用受到一定的限制。
針對這一問題蘇慶梅和杜高輝教授設計了一種集高導電、高催化活性和良好吸附性能的一體化功能層。通過靜電紡絲和高溫退火處理，嚴格控制製備工藝獲得了Co9S8@MoS2異質結構，實現原子級別MoS2包覆的精確控制。通過異質結構的構築實現了對MoS2能帶結構的調控，該結構被用作抑制多硫化鋰穿梭效應的功能層，可以有效吸附多硫化鋰並催化Li2S2轉化為Li2S，抑制多硫化鋰的穿梭，提高硫的利用率，進而優化鋰硫電池的性能。
Co9S8@MoS2/CNF用作鋰硫電池功能層的示意圖
Co9S8@MoS2核殼結構的TEM，HRTEM及STEM-mapping表徵結果
Li2S的成核實驗結果及Li2S2在不同功能層結合能和解吸能的DFT計算結果
【論文連結】Tuning the Band Structure of MoS2via Co9S8@MoS2Core-Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium-Sulfur Batteries.ACSNano,https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07332.
2 郝曉東副教授通過超臨界水合成出{100}晶面暴露的Cr摻雜CeO2納米晶，結合先進的球差校正電子顯微鏡，深入研究了Cr摻雜元素對CeO2納米晶中的原子結構、離子價態、氧空位形成和分布，及影響儲氧性能的關係和規律。本研究加深了對摻雜CeO2納米材料的缺陷形成和作用機制的理解，為設計和製備基於活性摻雜、晶面調控、納米尺寸化等功能化因素的新型的CeO2基催化劑提供可靠的理論依據和實驗數據。相關成果發表在國際知名期刊Acta Materialia(IF= 7.565)（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.11.015）上。
STEM-EELS逐層定量地研究了Cr摻雜CeO2納米晶中各原子層的價態分布
3 馬淑芳教授利用變溫微區光致發光譜儀（PL）和球差校正電子顯微鏡（ACTEM）分析了GaN基綠光LED老化後發光性能和有源區微觀結構的變化。PL結果表明，老化後GaN基LED的發光強度下降36.8%且峰值波長藍移1.6nm；STEM觀察進一步發現了老化後InGaN量子阱中出現In間隙原子，InGaN量子阱的馳豫度達80%。結合HRXRD結果以及DFT計算，老化後GaN基綠光LED發光性能下降是由於點缺陷密度的增加、量子限制效應減弱以及量子限制斯塔克效應增強導致。本項工作利用ACTEM直接觀察到In間隙原子，揭示了點缺陷對GaN基綠光LED發光性能的影響機制。相關成果發表在國際知名期刊Appl. Phys. Lett.(IF= 3.597)（https://doi.org/10.1063/5.0021659）上。
老化前後量子阱區域的STEMHAADF圖
4 丁書凱副教授和杜高輝教授採用納米液滴作為納米反應器，原位光聚合二官能團單體獲得納米網狀交聯聚合物作為納米石墨烯片前驅體。最終在煅燒氧化還原過程中，利用納米網狀交聯聚合物形成二維層流石墨烯納米片基體。該基體用於鋰離子電池負極材料，在電流密度100mAg-1，500圈下，獲得了565mAhg-1高比容量。並且展現出了與金屬納米顆粒複合優勢。相關成果發表在期刊Carbon(IF=8.821)（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.01.075）上。
有機分子限域反應製備二維層狀石墨烯納米片基體
5 蘇慶梅和杜高輝教授針對金屬鋰具有高的活性，與電解液會發生副反應，在電化學循環中容易損耗，導致較低的庫倫效率；且在反覆沉積/剝離過程中，鋰枝晶生長刺穿隔膜引發電池內部短路、熱失控，甚至發生起火爆炸等問題，構築了無機陶瓷和有機聚合物互嵌的雙連續結構複合固態電解質，提高了離子電導率、抑制了鋰枝晶的生長、改善了鋰金屬電池的性能。利用塗覆法室溫下構築了Li0.35La0.55TiO3納米線填充PVDF複合固態電解質，該複合電解質具有較高的室溫離子電導率、較寬的電化學窗口和高的機械性能，相關成果以「Li0.35La0.55TiO3Nanofibers Enhanced Poly(vinylidene fluoride)-Based Composite Polymer Electrolytes for All-Solid-State Batteries」為題發表在期刊ACS Appl. Mater. & Interface(IF=8.758)(https://doi.org/10.1021/acsami.9b14824)上。
PVDF/LLTO複合固態電解質的製備流程圖
6 蘇慶梅和杜高輝教授針對高鎳正極的強氧化性和金屬鋰的強還原性，構築了三明治結構的超薄複合固態電解質，該研究中將固態電解質的厚度控制到了9.6μm，此三明治結構可以很好地抑制鋰枝晶的生長，並提供優良的界面接觸，優化電池性能。相關成果以「Ultrathin, flexible, and sandwiched structure composite polymer electrolyte membrane for solid-state lithium batteries」為題發表在期刊J.Membr. Sci. (IF=7.183) (https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118734)上。
7 孫東峰副教授和餘願教授採用一步溶劑熱法原位合成Bi@Bi2O2CO3光催化劑，而且Bi2O2CO3納米片上的Bi納米顆粒具有可調控性，通過Bi納米顆粒的等離子體效應來提高Bi2O2CO3的光催化產氫活性。相關成果發表在Journal of Colloid and Interface Science（IF=7.489）（https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.03.021）上。
Bi@Bi2O2CO3光催化產氫示意圖
陳慶彩團隊
大氣汙染問題是近年來我國關注的重點環境問題之一。人們無時不刻不在呼吸著空氣，並暴露在各種可能具有潛在危害的大氣氣溶膠之下。大氣氣溶膠中含有的某些化學物質可能會引起細胞和機體損傷，對人體健康可能存在潛在不利影響。為此，評估大氣汙染健康風險因子的毒性危害就顯得尤為重要。
近日，陝西科技大學環境科學與工程學院陳慶彩團隊圍繞「大氣顆粒物中新型健康風險物質的汙染特徵、來源和形成機制」課題研究方面取得重要進展，並在ES&T、ACP、EI等一系列大氣環境領域頂級期刊上發表7篇高水平論文。
1 「Oxidative potential of water-soluble matter associated with chromophoric substances in PM2.5over Xi'an, China (西安地區PM2.5中與發色團物質相關的水溶性物質的氧化潛能)」以有機化合物是大氣氣溶膠氧化潛能的重要貢獻者為背景，首次報導了中國西安市PM2.5中與發色團物質有關的水溶性有機物的氧化潛能。
本團隊定量分析了水溶性PM2.5中的二硫蘇糖醇（DTT）活性水平，以及DTT活性與光吸收和螢光性質之間的關係。結果表明，DTT活性與有色水溶性有機物顯著相關，其中我們確定了三種吸光物質（BrC1-3）和八種螢光物質（C1-8）。進一步研究發現，BrC3和C7幾乎佔據了有色水溶性有機物的所有DTT活性，且分別因其長吸收波長和螢光發射波長而與其他發色物質有明顯區別。這一發現將有助於更好地解釋和理解吸光有機氣溶膠產生氧化活性的機理，並為通過光學特性來預測吸光有機氣溶膠氧化潛能的方法提供指導。
相關成果發表：Chen, Q.*; Wang, M.; Wang, Y.; Zhang, L.; Li, Y.; Han, Y. Oxidative potential of water-soluble matter associated with chromophoric substances in PM2.5over Xi'an, China. Environmental Science and Technology（IF=6.667）.2019, 53(15), 8574-8584. 全文連結：https://doi.org/10.1021/acs.est.9b01976
2 「Characteristics of environmentally persistent free radicals in PM2.5: Concentrations, species and sources in Xi'an, Northwestern China (中國西北地區PM2.5中環境持久性自由基的特徵：濃度，種類和來源)」明確了持久性環境自由基（EPFR）是一類新型的環境風險物質，可以穩定地存在於大氣顆粒物中，並對人類健康構成潛在威脅。研究了2017年西安市PM2.5中EPFR的濃度水平、種類特徵和來源。
結果表明，西安市2017年PM2.5中EPFR的濃度的變化範圍為9.8×1011至6.9×1014spins / m3。EPFR的最高濃度發生在冬季，最低濃度發生在秋季。根據EPFRs的年平均大氣濃度，西安市人吸入的EPFRs量相當於每人每天約5支香菸，而在發生霧霾的冬天則相當於每人每天約23支香菸。最後，本團隊還探索了PM2.5中EPFR的來源。結果表明，燃煤和交通運輸可能是西安PM2.5中EPFR的重要來源。此外，在夏季，EPFR與O3呈顯著正相關，這表明某些EPFR也可能源自二次生成過程。這項研究為進一步評估PM2.5中EPFR的潛在健康風險以及制定有效的空氣汙染控制措施提供了重要的基礎數據和證據。
相關成果發表：Chen, Q.*; Sun, H.; Mu, Z.; Wang, Y.; Li, Y.; Zhang, L.; Wang, M.; Zhang, Z. Characteristics of environmentally persistent free radicals in PM2.5: Concentrations, species and sources in Xi'an, Northwestern China. Environmental Pollution（IF=5.057）.2019, 247, 18-26.
全文連結：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.01.015
3 「Environmentally persistent free radical (EPFR) formation by visible-light illumination of the organic matter in atmospheric particles (通過可見光照射大氣顆粒中的有機物形成環境持久性自由基)」證明了二次形成過程可能是大氣顆粒物中EPFR的重要來源，然而其形成機理還有待闡明。
本研究表明，二次EPFR可以通過可見光照射產生。這類EPFR的壽命只有30分鐘到1天，比大氣顆粒物中原始EPFR的壽命短得多。研究還發現，可萃取的有機物促成了二次EPFR的形成（約55％），類腐殖質物質是二次EPFR的主要前體物。活性氧捕獲實驗表明，原始的EPFR可能有助於單線態氧的產生，而通過光激發產生的二次EPFR可能不會產生單線態氧或羥基。
相關成果發表：Chen, Q.*; Sun, H.; Wang, M.; Wang, Y.; Zhang, L.; Han, Y. Environmentally persistent free radical (EPFR) formation by visible-light illumination of the organic matter in atmospheric particles. Environmental Science and Technology（IF=6.667）.2019, 53(17), 10053-10061.
全文連結：https://doi.org/10.1021/acs.est.9b02327
4 「Source apportionment of environmentally persistent free radicals (EPFRs) in PM2.5over Xi'an, China (西安市PM2.5中環境持久性自由基EPFR的來源分配)」基於化學分析和正定矩陣因子分析（PMF）報導了PM2.5中EPFR的來源。
本團隊於2017年4月至12月在西安市收集每日PM2.5樣本，並對EPFR和其他化學成分進行定量分析。揭示了EPFR的五個主要來源：揚塵源、燃煤源、二次硝酸鹽、工業排放源和機動車排放源。燃煤源、機動車排放源和揚塵源是EPFR的三大貢獻者（佔76％）。燃煤對PM2.5和EPFR至關重要。春季，由於沙塵暴氣象事件的發生，揚塵源對EPFR的貢獻很大。將PMF結果與氣象數據相結合後發現，西安市中心排放的大氣汙染物可以通過南風運到採樣地點。這些結果表明需要對EPFRs的公共健康影響進行進一步研究，並可用於幫助制定汙染物源頭控制措施，以減少EPFRs在PM2.5中帶來的潛在健康風險。
相關成果發表：Wang, Y.; Li, S.; Wang, M.; Sun, H.; Mu, Z.; Zhang, L.; Li, Y.;Chen, Q.*Source apportionment of environmentally persistent free radicals (EPFRs) in PM2.5over Xi'an, China. Science of the Total EnvironmentI（IF=5.033）.2019, 689, 193-202.
全文連結：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.06.424
5 「Long-life type - The dominant fraction of EPFRs in combustion sources and ambient fine particles in Xi'an (長壽命型EPFR在燃燒源和西安地區環境細顆粒物中佔主導地位)」闡明了大氣顆粒物中持久性自由基的「持久」性質。
本團隊基於對大量樣品中EPFR的長時間測量，系統地評估了燃燒源和環境PM2.5中EPFR的衰減特性。這項研究量化了PM2.5不同來源中具有不同壽命的EPFR。結果表明，在燃燒源和環境PM2.5中，EPFR均以長壽命類型為主（> 70％）。EPFR的衰減特性（包括環境PM2.5中EPFR的濃度和g因子隨時間的變化）與燃燒源樣品相似，但與金屬氧化物和芳烴相互作用產生的EPFR有所不同。金屬氧化物和芳族化合物的相互作用可能產生短壽命的EPFR，長壽命的EPFR的形成機理可能更加複雜。這項研究為理解大氣顆粒物中EPFR的來源和形成機理提供了重要的基礎知識。
相關成果發表：Chen, Q.*; Sun, H.; Wang, J.; Shan, M.; Yang, X.; Deng, M.; Wang, Y.; Zhang, L. Long-life type - The dominant fraction of EPFRs in combustion sources and ambient fine particles in Xi'an. Atmospheric Environment（IF=3.783）.2019, 219, 11705-11709.
全文連結：https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.117059
6 「Study on the oxidation potential of the water-soluble components of ambient PM2.5over Xi'an, China: Pollution levels, source apportionment and transport pathways (西安市環境PM2.5水溶性組分的氧化潛能研究：汙染水平，汙染源分配和運輸途徑)」以被認為是對人體造成不利影響的大氣顆粒物中的活性氧（ROS）為背景，採用DTT方法測量了2017年在西安市採集的116個日細顆粒物樣品中的ROS水平，並對大氣顆粒物中ROS的來源進行定量分析。
結果表明，西安市ROS產生水平最高水平發生在冬季，其次是春季，夏季和秋季。PMF的源解析結果顯示，PM2.5中ROS主要貢獻源來自機動車排放物、二次硫酸鹽和燃煤源。後向軌跡聚類分析表明，主要的聚類群是本地和區域運輸，而西安上空PM2.5的氧化潛能受遠程運輸的影響大於受本地運輸的影響。如上所述，提高大氣氧化潛力不僅需要區域性努力，還需要大規模的聯合合作。此外，這項關於大氣顆粒物的氧化潛能的研究以及具體的來源信息為健康效應研究提供了重要的指導。
相關成果發表：Wang, Y.; Wang, M.; Li, S.; Sun, H.; Mu, Z.; Zhang, L.; Li, Y.;Chen, Q*. Study on the oxidation potential of the water-soluble components of ambient PM2.5over Xi'an, China: Pollution levels, source apportionment and transport pathways. Environment International（IF=7.443）.2020, 136, 105515-105525.
全文連結：https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105515
7 「Size-resolved exposure risk of persistent free radicals (PFRs) in atmospheric aerosols and their potential sources (大氣氣溶膠中不同粒徑的持久性自由基的暴露風險及其潛在來源)」報告了中國典型的燃煤城市臨汾市不同粒徑（<10 m）的大氣顆粒物的暴露風險和EPFR的來源。
在冬季和夏季，細顆粒（<2.1 m）中的EPFRs類型與粗顆粒（2.1-10 m）中的EPFR類型不同。但是，在夏季，粗顆粒中的EPFR濃度高於細顆粒，而冬季則相反。在兩個季節中，燃燒源都是EPFR的主要來源，冬季是煤炭燃燒的主要來源，而夏季則是其他燃料的主要來源。研究發現，上呼吸道是所研究的氣溶膠中暴露於EPFR的風險最高的區域，其暴露量相當於每人每天約21支香菸。肺泡暴露於EPFR中相當於每人每天8支香菸。這項研究有助於我們更好地了解不同粒徑的大氣顆粒物的潛在健康風險。
相關成果發表：Chen, Q.*; Sun, H.;Song,W.;Cao,F.;Tian,C.; Zhang,Y. Size-resolved exposure risk of persistent free radicals (PFRs) in atmospheric aerosols and their potential sources. Atmospheric Chemistry and Physics（IF=5.498）.2020,20, 14407-14417.
全文連結：https://doi.org/10.5194/acp-2020-141
目前學術界對大氣氣溶膠中環境風險物質的研究仍然不充分，存在未知和尚未確定的毒性風險物質。陳慶彩團隊圍繞大氣顆粒物中「尚未確定」的毒性物質展開研究，緊緊圍繞國家科學研究要「面向人民身體健康」的要求。陝西科技大學陳慶彩團隊提出將來對大氣顆粒物中新型健康風險物質的研究可能需要結合環境毒理學、分子生物學、流行病統計學等多學科交叉研究工作，從多學科交叉角度共同研究和解決該科學問題。