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我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)程序化

交流電合成新技術(shù)

科技日?qǐng)?bào)2024年7月15日?qǐng)?bào)道，從武漢大學(xué)獲悉，該校高等研究院、化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院雷愛(ài)文教授團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)程序化交流電合成新技術(shù)應(yīng)用于銅催化碳?xì)滏I轉(zhuǎn)化反應(yīng)，解決了電合成條件下過(guò)渡金屬催化劑容易在陰極析出失活而必須使用分離池的科學(xué)難題。7月11日相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

合成電化學(xué)新技術(shù)是國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）評(píng)定的2023年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。因?yàn)槠渚邆渚G色、安全和低能耗特性，可用于解決當(dāng)前基于化石能源驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)行生產(chǎn)力產(chǎn)生的環(huán)境污染、安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)和高能耗問(wèn)題。

雷愛(ài)文介紹，這種新興合成技術(shù)主要以直流電（DC）作為驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)調(diào)節(jié)電流或者電壓控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。交流電（AC）具有極性反轉(zhuǎn)和周期性波動(dòng)特點(diǎn)，且具備如波形、頻率、占空比等更多可調(diào)節(jié)電學(xué)參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)物質(zhì)制造提供“無(wú)限潛力”。

然而，更多維度的電學(xué)參數(shù)引入電化學(xué)合成反應(yīng)中會(huì)導(dǎo)致可優(yōu)化的反應(yīng)條件呈指數(shù)級(jí)增加，極大增加了研究難度。因此，迄今為止交流電合成技術(shù)仍然處于萌芽階段，僅有數(shù)例簡(jiǎn)單應(yīng)用研究見(jiàn)諸報(bào)道。

雷愛(ài)文團(tuán)隊(duì)耕耘綠色合成化學(xué)超過(guò)15年，該項(xiàng)研究首創(chuàng)開(kāi)發(fā)了可編程波形交流電（pAC）合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了銅催化的放氫氣氧化交叉偶聯(lián)反應(yīng)。通過(guò)對(duì)交流電波形的電學(xué)參數(shù)（頻率、電流和占空比）進(jìn)行程序編輯，可得到定制化交流電信號(hào)。

不同編輯模式的電信號(hào)不僅促進(jìn)電解條件下銅催化劑循環(huán)再生，且分別精準(zhǔn)調(diào)控銅催化劑形成“銅結(jié)合碳自由基物種”和“碳—銅活性物種”。

另外，該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了原位電子順磁共振波譜—交流電解聯(lián)用表征技術(shù)，首次觀測(cè)到不同交流電信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)控銅催化物種活性的變化規(guī)律。基于可編程交流電合成技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)銅催化活化烷烴直接碳?xì)滏I氧化偶聯(lián)反應(yīng)和氧化雙官能團(tuán)化反應(yīng)，這兩類反應(yīng)在傳統(tǒng)氧化劑條件和直流電氧化條件下均表現(xiàn)出較差的反應(yīng)性。

這項(xiàng)研究為一體式電解池條件下，金屬催化耦合電催化發(fā)展新型合成反應(yīng)提供可行路徑。可編程波形交流電合成技術(shù)的出現(xiàn)，將為合成電化學(xué)新技術(shù)在綠色物質(zhì)制造等更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域提供極大助力，為化學(xué)化工綠色化、智能化和高端化提供新動(dòng)能。

（2024年7月15日 吳純新 吳江龍 朱永成 科技日?qǐng)?bào)）

科學(xué)家創(chuàng)有機(jī)小分子

催化新紀(jì)錄

中國(guó)科學(xué)報(bào)2024年7月18日?qǐng)?bào)道，1個(gè)催化劑分子，完成了100萬(wàn)次催化。這一突破創(chuàng)下了有機(jī)小分子催化的新紀(jì)錄，可以和自然界的酶相媲美。

近日，西湖大學(xué)徐益明講席教授鄧力實(shí)驗(yàn)室在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》第146卷第24期發(fā)表了題為《ppm級(jí)不對(duì)稱弱鍵有機(jī)催化合成α-氨基膦酸酯》的封面文章。他們模擬酶的能力，以弱鍵作為主要驅(qū)動(dòng)力創(chuàng)造了高效。

催化效率低嚴(yán)重制約有機(jī)催化領(lǐng)域的發(fā)展，成為該領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)的科學(xué)問(wèn)題之一。是否可能模仿生物酶催化機(jī)制開(kāi)發(fā)新一代有機(jī)小分子催化劑，以實(shí)現(xiàn)媲美酶催化效率而依然保持底物范圍優(yōu)勢(shì)？這個(gè)問(wèn)題對(duì)于有機(jī)催化領(lǐng)域的理論發(fā)展和其在合成化學(xué)中的應(yīng)用前景至關(guān)重要。

鄧力團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)手性季銨鹽有機(jī)小分子催化劑，成功建立了α-氨基膦酸衍生物不對(duì)稱合成最高效實(shí)用的合成新方法。高對(duì)映選擇性地合成了一系列手性氨基膦酸酯。尤其值得關(guān)注的是，在0.8-50 ppm（百萬(wàn)分之一）催化劑載量下可合成各種α-烷基手性氨基膦酸酯，催化劑可達(dá)到20 000以上的轉(zhuǎn)換數(shù)，展現(xiàn)出媲美生物酶的催化效率。當(dāng)以α-甲基亞胺膦酸酯為底物時(shí)，轉(zhuǎn)化數(shù)超過(guò)百萬(wàn)，為不對(duì)稱有機(jī)催化新紀(jì)錄。

“這些結(jié)果展示了團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的分子量，僅為生物酶分子1～2%小分子有機(jī)催化劑，可兼具廣泛底物適用性和類酶高催化效率。”鄧力說(shuō)。

在研究中，鄧力團(tuán)隊(duì)尋找到另一條路，效法自然，實(shí)現(xiàn)弱鍵催化。該有機(jī)小分子弱鍵催化機(jī)制與金屬催化機(jī)制截然不同，而與廣泛基于弱鍵的酶催化機(jī)制異曲同工，鄧力團(tuán)隊(duì)將其命名為小分子“酶”。

該項(xiàng)研究工作實(shí)現(xiàn)了ppm級(jí)手性季銨鹽催化的α-亞胺膦酸酯高效不對(duì)稱異構(gòu)化反應(yīng)。該金雞納堿衍生的仿生催化劑在對(duì)多種α-脂肪族-亞胺膦酸酯異構(gòu)化中展現(xiàn)了與酶相當(dāng)?shù)拇呋剩渲蠺ON最高超過(guò)百萬(wàn)。理論計(jì)算和機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究揭示了這種小分子催化劑實(shí)現(xiàn)媲美酶效率的機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)其遵循了酶催化的基本原理。就催化效率、機(jī)理和底物兼容性而言，這種季銨鹽催化劑可視為小分子“異構(gòu)化酶”。

（2024年7月18日 溫才妃 中國(guó)科學(xué)報(bào)）

新催化劑能使氫氣和化肥

同步產(chǎn)出

科技日?qǐng)?bào)2024年7月18日?qǐng)?bào)道，德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)和杜伊斯堡—埃森大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新型催化劑，能夠促進(jìn)將氨轉(zhuǎn)化為氫氣和肥料前體亞硝酸鹽的化學(xué)反應(yīng)。相關(guān)研究論文發(fā)表于最新一期《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志。

此前，生產(chǎn)氫氣和生產(chǎn)肥料分屬于不同的化學(xué)過(guò)程。研究人員解釋說(shuō)，氫氣的生產(chǎn)通常是通過(guò)電解水實(shí)現(xiàn)的，而為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性，這個(gè)過(guò)程需要依賴可再生能源。此外，氫氣的運(yùn)輸方式主要有液態(tài)和氣態(tài)兩種，但氫氣只有在-253℃的極低溫度或高壓下才會(huì)變成液體，因此其運(yùn)輸難度相對(duì)較大。替代方案是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)將氫氣轉(zhuǎn)化為氨（NH3），因?yàn)榘痹?33℃時(shí)即可液化，而且其能量密度高，更便于運(yùn)輸。使用時(shí)，科學(xué)家通過(guò)反向哈伯-博施反應(yīng)，將氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂蜌錃狻?/p>

由于氮?dú)獾幕瘜W(xué)鍵非常牢固，所以氨很容易轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑓s很難轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽。研究人員面臨的挑戰(zhàn)是找到一種合適的催化劑。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，他們證明多金屬催化劑適用于這一目的。

研究人員結(jié)合反向哈伯-博施反應(yīng)與水的二次電解，使用氣體擴(kuò)散電極，并在該反應(yīng)中添加了多金屬催化劑。結(jié)果顯示，氨和水發(fā)生反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生亞硝酸鹽和氫氣。該反應(yīng)可將87%的轉(zhuǎn)移電子用于轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，而且這一過(guò)程中氫氣產(chǎn)量會(huì)加倍。亞硝酸鹽可以進(jìn)一步加工成肥料。

該研究首次證明這兩個(gè)化學(xué)過(guò)程可以在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上結(jié)合使用，但要實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，還有很長(zhǎng)的路要走。

（2024年7月18日 劉霞 科技日?qǐng)?bào)）

云南天文臺(tái)探測(cè)到超新星激波

突破信號(hào)

科技日?qǐng)?bào)2024年7月23日?qǐng)?bào)道，從中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)獲悉，該臺(tái)研究員張居甲領(lǐng)銜的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，近期成功捕捉到超新星的爆炸激波沖破其外圍致密星周物質(zhì)的壯觀瞬間。這一成果不僅加深了人們對(duì)于超新星激波爆發(fā)物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，還為揭示恒星晚期演化與死亡之謎提供了新的關(guān)鍵線索。相關(guān)論文于7月19日發(fā)表在國(guó)際期刊《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。

激波突破是超新星爆發(fā)后最早期的電磁輻射事件，它能揭示恒星死亡瞬間的極端物理過(guò)程，包括激波的形成、傳播及其與恒星表面和周圍物質(zhì)的相互作用，可為研究超新星爆炸機(jī)制提供寶貴的線索。通常，激波突破發(fā)生的時(shí)間非常短暫，僅持續(xù)幾秒鐘或幾分鐘，因此極難被探測(cè)到。

“超新星SN 2024ggi的爆發(fā)給我們提供了難得的機(jī)會(huì)！”張居甲介紹，這顆超新星位于NGC3621星系，距離地球約2 000萬(wàn)光年。研究團(tuán)隊(duì)利用云南天文臺(tái)麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡、歐洲南方天文臺(tái)10米甚大望遠(yuǎn)鏡、意大利伽利略國(guó)家天文臺(tái)3.6米望遠(yuǎn)鏡等先進(jìn)天文設(shè)備，在爆炸最初的幾十小時(shí)內(nèi)交替進(jìn)行高頻光譜監(jiān)測(cè)，成功捕捉到激波突破信號(hào)，揭示了復(fù)雜的激波傳播過(guò)程。

在爆發(fā)后的13.9至16.2小時(shí)內(nèi)，研究人員通過(guò)麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡的四次光譜觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)被激波激化的星周物質(zhì)維持在相對(duì)較低的電離狀態(tài)。然而，幾個(gè)小時(shí)后，這些物質(zhì)便達(dá)到了相當(dāng)高的電離狀態(tài)，這說(shuō)明激波為星周物質(zhì)注入了大量的能量，并逐漸突破其阻礙。基于所觀測(cè)的信號(hào)，研究人員精確計(jì)算出激波突破的時(shí)間和區(qū)域，并對(duì)星周物質(zhì)的密度及分布作了科學(xué)的測(cè)算。

通過(guò)捕獲這顆超新星激波突破信號(hào)，研究團(tuán)隊(duì)得以探究其前身星在最后階段的演化，為揭開(kāi)恒星死亡之謎提供了寶貴的數(shù)據(jù)。這項(xiàng)研究不僅有助于天文學(xué)界更好地理解超新星爆發(fā)的初期過(guò)程，以及激波在非對(duì)稱的星周物質(zhì)中傳播的特性，還進(jìn)一步提升了人們對(duì)恒星演化和超新星爆發(fā)事件的整體認(rèn)識(shí)。

（2024年7月24日 趙漢斌 科技日?qǐng)?bào)）

無(wú)溶劑干電極可提高

鋰離子電池性能

科技日?qǐng)?bào)2024年7月23日?qǐng)?bào)道，韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)在開(kāi)發(fā)環(huán)保型鋰離子電池干電極制造工藝方面取得了重大突破。新工藝無(wú)需使用有害溶劑，可提高電池性能并促進(jìn)可持續(xù)性。研究結(jié)果發(fā)表在最新一期《化學(xué)工程雜志》上。

研究團(tuán)隊(duì)推出的一種新型無(wú)溶劑干電極工藝，使用聚四氟乙烯（PTFE）作為黏合劑。這一創(chuàng)新方法成功解決了傳統(tǒng)濕電極制備過(guò)程中存在的難題。傳統(tǒng)方法往往導(dǎo)致黏合劑和導(dǎo)電材料分布不均勻，從而降低了電極性能。

干電極工藝分為四個(gè)階段：造粒、成膜、壓延、疊層。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)評(píng)估每個(gè)階段半成品的物理、電氣和電化學(xué)性能來(lái)優(yōu)化工藝條件。結(jié)果表明，高擠出率的聚四氟乙烯黏合劑即使在低能耗的情況下也可以生產(chǎn)出高強(qiáng)度的電極膜，從而改善微觀結(jié)構(gòu)和功率特性。

在鋰離子電池中，黏合劑在連接活性材料和電子方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。研究表明，聚四氟乙烯黏合劑的類型和含量顯著影響干電極的輸出特性。研究人員確定了一種最佳配方，在0.5C（即充放電速率為電池額定容量的一半）下，電池能夠以80%的效率釋放其存儲(chǔ)的電量。

研究人員表示，這一突破將為大規(guī)模生產(chǎn)提供可擴(kuò)展且實(shí)用的解決方案，從而有助于商業(yè)化。他們相信，這一研究有望為環(huán)保、高效的能源存儲(chǔ)電極制造開(kāi)辟新道路。

（2024年7月23日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào)）

機(jī)器學(xué)習(xí)提升天氣與氣候

預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度

中國(guó)科學(xué)報(bào)2024年7月23日?qǐng)?bào)道，谷歌研究公司的Stephan Hoyer與合作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，能進(jìn)行準(zhǔn)確的天氣預(yù)測(cè)和氣候模擬。該模型名為NeuralGCM，能超越部分現(xiàn)有天氣和氣候預(yù)測(cè)模型，有望比傳統(tǒng)模型節(jié)省大量算力。相關(guān)研究7月22日發(fā)表于《自然》。

一般環(huán)流模型表示了大氣、海洋和陸地的物理過(guò)程，是天氣和氣候預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。減少長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的不確定性以及估算極端天氣事件是理解氣候緩解和適應(yīng)的關(guān)鍵。機(jī)器學(xué)習(xí)模型一直被認(rèn)為是天氣預(yù)測(cè)的一種替代手段，且具有節(jié)省算力成本的優(yōu)勢(shì)，但它們?cè)陂L(zhǎng)期預(yù)報(bào)的表現(xiàn)常常不如一般環(huán)流模型。

Hoyer等人設(shè)計(jì)的模型結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)和物理方法，能進(jìn)行中短期天氣預(yù)報(bào)以及幾十年的氣候模擬。該模型對(duì)1至15天預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率能媲美歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF，最好的傳統(tǒng)物理天氣模型之一）的預(yù)測(cè)結(jié)果。對(duì)于最多提前10天的預(yù)報(bào)，NeuralGCM的準(zhǔn)確率與現(xiàn)有機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)不相上下，有時(shí)甚至更好。

NeuralGCM的氣候模擬準(zhǔn)確率與最好的機(jī)器學(xué)習(xí)和物理方法相當(dāng)。當(dāng)研究者在NeuralGCM的40年氣候預(yù)測(cè)中加入海平面溫度后，他們發(fā)現(xiàn)模型給出的結(jié)果與從ECMWF數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的全球變暖趨勢(shì)一致。NeuralGCM 在預(yù)測(cè)龍卷風(fēng)及其軌跡方面也超過(guò)了已有的氣候模型。這些結(jié)果表明，機(jī)器學(xué)習(xí)是提升一般環(huán)流模型的一個(gè)可行手段。

（2024年5月18日 史俊斌 科技日?qǐng)?bào)）