中国科大八月（下）科研进展

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院和深空探测实验室陆全明教授和王荣生教授团队在湍流相干结构及能量耗散研究方向取得重要进展。结合卫星原位探测和计算机数值模拟结果，该团队发现地球弓激波下游湍流等离子体中小尺度电流片相干结构起源于上游波动，电流片中发生的磁场重联可有效地耗散磁能。研究成果以“Origin of reconnecting current sheets in shocked turbulent plasma”为题，于8月14日发表在国际学术期刊《Science Advances》上，并被期刊网站首页以“How current sheets form in turbulent plasmas”作为featured image加以推介。

等离子体湍流中相干电流结构的形成机制和磁能最终耗散的机制等问题一直是研究热点和难点。磁场重联是等离子体中一种基本的物理过程。它提供了一种将磁能快速转化为等离子体动能和热能的有效机制。早期研究发现，湍流等离子体中会形成大量小尺度电流片结构，进而触发磁场重联。这些电流片在湍流能量耗散以及等离子体加热加速中发挥着重要作用。但是，湍流环境中电流片的起源一直是一个悬而未决的问题。

高速太阳风与地球磁层相互作用，在地球向阳侧形成弓激波。弓激波下游的磁鞘区域是最典型的湍流环境之一，是研究湍流耗散的天然实验室。分析卫星先后穿越弓激波上下游的原位探测数据，该研究团队发现弓激波上游波动穿越弓激波进入其下游的过程中，波动振幅被逐渐增强、从而形成激波下游的相干电流片结构（图1）。磁场重联在电流片中被直接触发，磁能被快速地耗散、转化为等离子体动能和热能。

图1：激波上游波动演化的卫星观测结果。从上到下分别为离子能谱、磁场强度、GSE坐标系中磁场三分量、离子数密度和离子速度矢量。

进一步采用混合模拟方法，研究团队重现了激波上游波动由产生到演化为电流片的完整过程。上游波动是由离子共振不稳定性激发的快磁声波，快磁声波在向下游传播过程中，不断被压缩放大，转化为下游磁鞘中的电流片。磁场重联在电流片中被频繁地触发（图2）。卫星观测结果与计算机混合模拟结果展现出极佳的一致性，为湍流中相干电流片结构的形成机制和能量耗散提供了充分的证据。该研究成果可推广到其他天体和实验室等离子体环境中的激波下游湍流中。

图2：混合模拟中自发形成的磁鞘重联电流片。

中国科学技术大学王诗谋博士和卢三教授为该论文的共同第一作者，陆全明教授和王荣生教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、中央高校基础研究基金和中国博士后科学基金等项目的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado4639

（地球和空间科学学院、深空探测实验室）

近日，薛向辉教授领导的激光雷达团队在量子激光雷达系统研究方面取得了重大进展。该团队首次提出了基于上转换量子干涉原理的测风激光雷达理论，并基于这一理论创新成功研发了样机。相较于传统的相干测风雷达，新系统实现了0-13km/s的速度动态探测范围和7倍探测灵敏度的提升。这一成果于2024年8月15日发表在《ACS Photonics》上。（doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00302）

“看得远、看得细，测得快、测得准”是激光雷达追求的目标。单光子激光雷达相比传统激光雷达实现了单光子灵敏度的探测，性能有了极大的提升。然而，利用更多量子精密测量原理的量子雷达理论仍处于发展阶段。自1987年双光子（HOM）干涉被发现以来，HOM干涉已成为区分量子现象与经典物理学的关键基石，标志着量子探索新时代的到来。HOM干涉不仅在精确的时间测量和量子态分析方面发挥着基础作用，还在量子信息处理的各种应用中成为核心。基于HOM干涉的量子精密测量理论和应用创新，已经成为当前的研究热点。

薛向辉课题组利用HOM干涉和高阶量子擦除使得来自不同光源的独立光子展现出量子干涉现象，并基于该理论开发了一种基于上转换探测器的双光子干涉大气激光雷达系统。这种方法具有单光子灵敏度、高量子效率、大检测带宽和多波长适用性。使用量子擦除结合光学压缩采样方法，该量子雷达系统能够以MHz的采样率记录超过17 GHz带宽（对应13km/s）的光学信号，解决了超高速目标连续检测中弱信号的高采样率和大数据存储量问题，为实现高达数十公里/秒的超高速连续速度检测铺平了道路。

超过17GHz的探测带宽，频率探测误差≤60MHz（波长计误差60MHz）

在外场实验中，量子干涉雷达系统使用70μJ能量实现了水平16km距离的风场探测，相比于现有激光雷达系统，风场探测一致性R2=0.997的情况下实现了7倍探测灵敏度的提升。

使用70μJ能量实现16km距离风场探测

该技术的核心在于利用双光子干涉现象，并通过量子擦除抑制噪声提高信噪比。双光子干涉是一种量子光学现象，在这种现象中两个光子之间会发生干涉，即使它们不同时存在也能观察到相关性。量子擦除则是一种量子力学过程，可以通过操纵额外的光子来消除或恢复双光子之间的量子纠缠状态。

远距离测风证明，该技术在弱信号测量方面具有巨大的潜力。无需使用频率鉴别装置即可检测光学频率，这是一种全新的检测方法，结合了直接探测和相干探测的优点。该雷达系统已经实现了光纤集成和紧凑化，未来有可能应用于连续遥感测量超高速移动软硬目标。

审稿人对该工作给与了高度评价，称赞“手稿介绍了一项在大气激光雷达技术领域的重要进展”(the manuscript presents a significant advancement in the field of atmospheric lidar technology)、“特别重要的是，该方法相对于传统技术提升了接近1个数量级的性能”(Specifically, they demonstrated that the efficiency is one order of magnitude higher than traditional detection methods)。

地球和空间科学学院的王冲副研究员和杨可欣博士是论文第一作者，薛向辉教授为论文通讯作者。该工作得到了张强、陶岚和申屠国樑同志，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

（地球和空间科学学院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

近日，中国科学技术大学杨上峰教授团队在钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展，传统（n-i-p）结构的单结钙钛矿太阳能电池实现了26.1%的光电转换效率（第三方机构认证效率为25.8%），为目前n-i-p结构钙钛矿太阳能电池中最高效率之一。相关研究成果以“Bifunctional ligand-induced preferred crystal orientation enables highly efficient perovskite solar cells”为题发表于国际著名学术期刊《焦耳》（Joule）(Joule2024, 10.1016/j.joule.2024.07.009)。

钙钛矿太阳能电池是以有机-无机杂化钙钛矿材料作为吸光层的第三代太阳能电池，具有高效、低成本和可溶液加工等特点，受到了科研机构和产业界的广泛关注。钙钛矿的结晶取向已被证明是决定钙钛矿太阳能电池器件效率的关键因素之一。根据文献中的报道，钙钛矿的不同晶面具有不同的化学、物理和光电特性，不同晶面产生的光电流大小为(100)>(111)>(110)，而且(100)和(111)晶面比(110)晶面表现出更高的载流子迁移率，这是由于(100)和(111)晶面具有较高的介电常数，导致激子结合能较低，有利于自由载流子的产生。另一方面，影响n-i-p结构钙钛矿太阳能电池器件性能的另一个关键因素为钙钛矿/氧化锡层的埋底界面，该界面存在的缺陷会造成额外的非辐射复合损失，从而降低光电转换效率。在以往的研究中，同时实现择优结晶取向和良好埋底界面的策略主要依赖于引入额外的界面钝化层，但这增加了器件制备的复杂程度。由此带来的科学问题是：在不引入额外的界面钝化层的前提下，是否有更为简便的方法同时实现择优结晶取向和良好埋底界面？

针对上述问题，研究团队发展了一种简便有效的方法，通过在钙钛矿前驱体溶液中添加双功能配体2-(甲基硫代)盐酸乙胺（简称为METEAM)，不仅诱导（100）取向的钙钛矿薄膜结晶生长，同时改善了钙钛矿/氧化锡层的埋底界面。METEAM分子通过与钙钛矿晶格的强相互作用，优先吸附在钙钛矿的（100）晶面上，从而降低了（100）晶面的形成能，获得了（100）择优晶面取向的钙钛矿薄膜。同时，METEAM分子可以自发地聚集在钙钛矿/氧化锡层的埋底界面，作为钙钛矿和氧化锡电子传递层之间的桥梁，从而双向钝化钙钛矿和氧化锡层的缺陷。值得一提的是，此前文献中的报道的大部分添加剂仅具有单一功能（如调控钙钛矿晶体的成核和生长），而METEAM添加剂的双功能来自于其“头部”的胺阳离子（-NH3+）和“尾部”的硫甲基（-SCH3），分别与钙钛矿中的铅离子和氧化锡中的锡离子发生配位作用。实验结果表明，经过METEAM处理后，钙钛矿薄膜表现出更低的陷阱态密度、更长的载流子寿命和更高的载流子迁移率，相应的单结钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率高达26.1%，第三方机构认证效率也高达25.8%（该认证效率早在2022年1月即获得，为同期世界记录值）。同时，由于钙钛矿薄膜的陷阱态密度降低，器件的光照稳定性也得到了显著的提升。该策略为提高钙钛矿太阳能电池的综合性能提供了新的思路。

图注：(a) METEM分子通过与钙钛矿层和氧化锡层同时作用，诱导钙钛矿沿（100）晶面择优取向生长示意图。(b)METEAM掺杂前（control）、后（target）的钙钛矿薄膜（100）和（111）晶面强度比值。(c)METEAM掺杂前后钙钛矿太阳能电池J-V曲线。

该论文的共同第一作者为中国科学技术大学已毕业博士李行成和博士研究生高爽，通讯作者为中国科学技术大学杨上峰教授、香港城市大学朱宗龙教授和深圳技术大学肖爽副教授。该项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院先导专项和中央高校基本科研业务费等基金资助。

附文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435124003386

（化学与材料科学学院、精准智能化学重点实验室、能源材料化学协同创新中心、科研部）

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院王文忠特任教授与多位学者合作，通过第一性原理计算与机器学习相结合的方法，发现位于地球核幔边界高速区域的超低速区是由超离子态铁氢化物形成，相关成果以“Superionic iron hydride shapes ultralow-velocity zones at Earth’s core–mantle boundary”为题通过直投方式发表在美国国家科学院院刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

地球核幔边界(CMB)是地球内部成分差异最大的边界层，是地核与地幔物质和能量交换的重要场所。近二十年的地震学研究发现，在CMB上方存在不同尺度的低速异常体，如位于非洲和太平洋板块下方的大型低剪切波速省(LLSVP)，以及位于LLSVP内部和周围的超低速区(ULVZ)。理解这些低速异常体的特征和成因对理解核幔边界的动力学演化过程具有重要意义。

ULVZ通常有数百公里宽，数十公里厚，相比于周围地幔其具有明显的低波速和高密度特征，因此能够长期稳定在CMB。传统观点认为ULVZ的成因主要分为两种：温度异常和成分异常。对于温度较高的区域(如LLSVP内部)，部分熔融可能是ULVZ的主要成因。然而，最近的地震学研究发现，ULVZ不仅存在于低速区域，在一些高速区域(如俯冲板片附近或内部)也探测到了ULVZ，无法通过简单的部分熔融来解释，需要成分异常来解释。

板片俯冲是将地表水输送到地球深部的重要途径。在下地幔底部，俯冲板片脱水与液态外核发生反应生成FeHx，且这种物质能够与下地幔的主要矿物相共存。然而，由于缺乏对FeHx的波速、密度、熔点等物理性质的约束，目前尚不清楚这一物质能否是形成ULVZ的潜在成因。

研究团队采用“第一性原理计算+机器学习“的方法对FeHx在核幔边界条件下的稳定性和热弹性性质开展了研究。结果表明，在核幔边界的温压条件下，FeHx能够以超离子态的形式稳定存在(图1a)：Fe原子在其晶格平衡位置附近振动，类似于固体，而H原子能够像流体一样在晶格间扩散。

图1. (a) FeHx的相图;(b)CMB条件下fcc-FeH的波速和密度特征

由于扩散导致的剪切软化效应，超离子态FeHx具有极低的波速，其VP和VS分别比正常地幔低34%和63%，密度比正常地幔高50%（图1b），与ULVZ的地震学特征吻合，表明超离子态FeHx可能是ULVZ的一种重要成因，尤其能形成在高速区内形成的ULVZ。这种ULVZ的形成主要通过两种机制：一方面，俯冲板片深部脱水与铁核反应形成FeHx；另一方面，俯冲板片作为较冷区域能够促进液态外核中的FeHx析出(图2)。这一研究揭示了水在地球核幔边界产生速度异常结构方面发挥了重要作用。

图2.核幔边界ULVZs形成过程示意图

论文的第一单位为中国科学技术大学，第一作者为博士研究生张瑜，通讯作者为王文忠特任教授，合作者包括中国科学技术大学李云国教授和吴忠庆教授。本研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研专项资金的支持。计算工作主要在中国科学技术大学的超算中心完成。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2406386121

（地球和空间科学学院、科研部）

中国科学技术大学高能核物理团队与兰州近代物理研究所合作，在RHIC-STAR国际合作重离子碰撞实验中首次发现了一种新反物质超核——反超氢-4核，这是迄今实验上发现的最重的反物质超核。研究成果以“Observation of the antimatter hypernucleus anti-hyperhydrogen-4” 为题，于8月21日在线发表于《自然》杂志上。这是STAR实验继发现反超氚核、反氦4核以来在反物质探索领域的又一次重大突破。

图：重离子碰撞产生反物质超氢-4核示意图（上）；反物质超氢-4核不变质量信号（下）

反物质和普通物质的不对称性是现代物理学的一个基本问题。我们生活的世界和现今的宇宙中为何绝大多数的物质都是正物质？这仍然是一个谜。1931年安德森正电子的发现证实了狄拉克方程反物质的猜想。此后科学家们相继发现了反质子、反中子，反氘核等等。越重结构越复杂的反物质，在自然界中的产率就越低，且呈指数下降，每增加一个反核子（质量数A+1），其产率就下降约1000倍，这导致在实验上发现发物质极其困难。人们猜想在宇宙“大爆炸”的初期，极端高温高密度的条件下，可能存在与正物质等量的反物质，但由于绝大多数正物质与反物质发生湮灭，并且随着宇宙膨胀温度降低，约百亿分之一的正物质存活下来，演变为现今的世界。运行在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子加速器RHIC可以将两束重原子核（例如金核）加速到每核子100GeV的能量，并使其对撞，从而可以在碰撞瞬间产生几万亿度的高温火球，被人们称为“小爆炸”，以此模拟宇宙“大爆炸”初期的环境，为发现反物质创造了良好的条件。

反超氢-4核由一个反质子、两个反中子和一个反Lambda超子组成。研究团队在相对论重离子加速器RHIC的STAR实验上，在66亿个重离子对撞事例中找到了约16个反超氢-4核，并首次测量了其寿命，发现与普通超氢-4核的寿命在误差范围内一致，进一步验证了正反物质在寿命这一内禀属性上的对称性。反超氢-4核是目前实验上观测到的最重的反物质超核。它的发现和性质研究，使人类在反物质及正反物质对称性的探索方面又迈出了重要一步。

中国科大高能核物理团队张一飞教授、博士生李东升作为该论文的主要作者参与了相关物理分析，在发展基于卡尔曼滤波方法的粒子衰变拓扑重建关键技术、粒子重建效率计算方面作出了重要贡献。团队主导研制的基于MRPC技术的飞行时间探测器TOF，极大拓展了STAR实验上带电粒子的鉴别能力，也为此次反超氢-4核的发现提供了末态衰变产物鉴别的关键作用。值得一提的是，中国科大高能核物理团队在第一个反物质超核——反超氚的发现中也作出了重要贡献，相关成果发表SCIENCE, 328 (2010) 5974上。相比反超氚，反超氢4仅仅多了一个反中子，实验上的寻找难度就增大了很多，又经十四年才得以发现。此外，近年来团队还在超氚核与超氢-4核的寿命测量中作出了重要工作，相关成果发表在Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 202301上。

RHIC-STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）上STAR实验的大型国际合作组，由来自14个国家74个单位的700多位科研人员组成。该项研究受到了国家自然科学基金委、科技部等单位的经费资助。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07823-0

（物理学院、核探测与核电子学国家重点实验室、科研部）

中国科学技术大学热科学和能源工程系谈鹏特任教授团队提出了一种火星电池，由火星大气成分作为电池反应燃料物质，可实现高能量密度和长循环性能。该成果以“A high-energy-density and long-cycling-lifespan Mars battery”为题发表在综合类学术期刊《Science Bulletin》上。

锂二氧化碳电池利用金属锂和二氧化碳作为反应物，被认为在火星探测中具有潜在应用价值（火星大气中二氧化碳含量高达95.32%）。然而，现有研究通常忽略了火星的复杂环境，包括多种气体成分（95.32% CO₂、2.7% N₂、1.6% Ar、0.13% O₂、0.08% CO）以及剧烈的温度波动（昼夜温差约为60oC）。针对这一问题，该团队开发了一种以火星大气为直接燃料的火星电池，并结合温度波动测试，极大程度地模拟了火星表面的真实环境，从而实现了可持续输出电能的火星电池系统。在0oC低温下测得该电池的能量密度高达373.9 Wh/kg，循环寿命达1375小时（约2个火星月）。

研究表明，火星电池的电化学性能在0-60oC范围内具有显著的温度依赖性。在高温条件下，电压间隙为1.6V，倍率为0.4 A/g，功率密度为3.9 W/m²。具体来说，该电池在充放电过程中伴随着碳酸锂的生成和分解电化学反应。通过一体化电极制备和折叠式电池结构设计，该团队将电芯尺寸放大至2×2cm²，进一步提升了软包电池的能量密度至765 Wh/kg和630 Wh/L。这项研究为火星电池在实际火星环境中的应用提供了概念验证，并为未来太空探索中的多能互补能源系统的发展奠定了基础。

图：火星电池的应用和发展潜力

此前，团队的博士生张卓君作为论文的第一作者，通过时空分辨技术建立了一体化厚气体电极的微观行为与宏观电化学性能之间的联系。这一研究为本次火星电池中所采用的一体化厚气体电极设计提供了理论和技术支持。相关成果以“Unravelling the Capacity Degradation Mechanism of Thick Electrodes in Lithium-Carbon Dioxide Batteries via Visualization and Quantitative Techniques”为题，作为“Editor’s Choice”发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》上。

中国科学技术大学肖旭博士后为论文第一作者，谈鹏特任教授为通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、中国科学院、中国博士后基金会以及中国科大基金等项目的资助。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.06.033

https://doi.org/10.1002/adfm.202407422

（热科学和能源工程系、科研部）

近日，中国科学技术大学雷久侯教授、祝宝友教授和刘非凡副教授团队在云顶放电产生机理方面取得新认识。团队基于自主研制的地基闪电观测阵列，发现云顶放电存在极性竞争关系，提出了主导云顶放电产生的新概念模型。相关研究成果以“Polarity transitions of narrow bipolar eventsin thundercloud tops reaching the lower stratosphere”为题发表于国际著名学术期刊《自然·通讯》[Nat. Commun，2024]。

云顶放电是一类发生在穿透性过冲云顶附近的蓝色放电现象，作为对流层雷暴向平流层及中高层大气物质和能量注入重要一环，这类放电可以直接改变平流层区域的氮氧化物和臭氧等温室气体含量，间接影响地球大气中长波红外辐射的收支平衡，最新研究表明这类放电能在低电离层80-90千米高度诱发大尺度光学扰动现象（图1）。因此，探究其产生机理对认识雷暴在圈层耦合中所扮演的角色具有重要意义。

图1 云顶放电诱发大尺度低电离层扰动示意图

传统理论模式认为，云顶放电是由普通闪电诱发的云内电荷不平衡所导致。然而，由于受到云层遮挡和严重的瑞利散射，学术界对该类放电事件的观测研究还相当不充分，关于其始发闪电源及产生机理尚存在较大争议，引发学术界广泛关注。为此，欧空局ESA和美国宇航局NASA相继在国际空间站和地球同步静止卫星上搭载光谱和射频探测器，开展针对雷暴云顶放电的连续成像和多谱段观测试验，同时期望联合地基闪电观测阵列，探究其始发机理以及对中高层大气的影响。研究团队围绕云顶放电产生机理及其圈层耦合效应，开展了系统性研究工作, 在国际上首次发现了云顶放电和一类具有明显低电离层反射对的双极性窄脉冲NBE事件物理同源，提出了基于电学信号遥感云顶放电的新思路 [GRL，2018；Nat. Commun，2021]，为进一步揭示云顶放电产生机理提供了可能。

近期，研究团队基于自主研制的新一代地基闪电观测平台, 利用闪电低频信号通过电离层反射的信息，观测到台风登陆期间发生在外雨带云顶的NBE爆发现象，首次发现云顶不同极性NBE之间表现出很强的“竞争性”关系。对表征云内对流发展的雷达资料进行分析，结果表明，过冲云中对流发展阶段对云顶放电的产生起到主导作用，表现为爆发性正NBE总是发生在过冲云的对流抬升阶段，而云顶负NBE通常爆发性产生在过冲云的对流下沉阶段，并总伴随着平流层“云上卷云”的形成。进而，研究团队从云内对流发展的角度出发，提出了对流强度主导云顶放电产生的新概念模型，即对流抬升程度所调制的不同电荷层高度变化主导了云顶放电的产生（图2）。

该研究成果为云顶放电的产生机理提供了一种新视角，为后续评估云顶放电的全球发生率及其导致的平流层化学扰动提供了可能，为进一步探究云顶放电对中高层大气和低电离层影响奠定了基础。

图2 对流程度所主导的云顶放电诱发机制新概念模型

论文第一作者是中国科学技术大学副教授刘非凡，通讯作者是中国科学技术大学雷久侯教授和祝宝友教授，合作者包括中国科学技术大学陆高鹏教授，南京气象科技创新研究院吕伟涛研究员、吕凡超副研究员，和丹麦技术大学Torsten Neubert教授团队等。该研究获得了国家自然科学基金委基础科学中心、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队和中国气象科学研究院专项基金等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51705-y

（地球和空间科学学院、科研部）

低温电解水作为一种可持续的绿色制氢技术受到广泛关注。在众多电解水技术中，阴离子交换膜水电解在制的氢气纯度、电流密度、冷启动时间等方面具有优势，且可以不使用贵金属催化剂和槽体。当前，过渡金属及其氧化物在碱性电解质中展现较好的析氧催化活性。然而，在大电流密度下，这类催化剂的稳定性能面临较大挑战。

近日，中国科学技术大学高敏锐教授课题组报道了一种以氮介导的二维氧化钴催化剂，同时展现出优异的析氧活性与稳定性。通过氮的引入，一方面触发了晶格氧氧化机理，另一方面又构建了非键态氧（ONB）作为电子供体，避免了电子从“钴-氧”键序中移除，保证了催化剂的稳定性，相关成果以“Nitrogen-Mediated Promotion of Cobalt-Based Oxygen Evolution Catalyst for Practical Anion-Exchange Membrane Electrolysis”为题发表在国际学术期刊《美国化学会杂志》上（J. Am. Chem. Soc.2024,146 (29), 20379-20390）。

图1 吸附演化机理（AEM）、晶格氧氧化机理（LOM）与改良的LOM路径

在传统的吸附演化机理中，电子从填充的下哈伯德带（LHB）给出。而将氧带推向费米能级，能触发晶格氧机制，此时氧作为氧化还原中心，电子从“金属-氧”键带给出，从而导致“金属-氧”键顺序降低，致使结构不稳定。该工作创新性地构建ONB态，取代“金属-氧”的成键带作为电子供体，使得其键序得以保持，保证结构稳定性。同时，小电负性的氮取代氧位点，可以将LHB降低到“金属-氧”键带以下，触发晶格氧路径（图1）。

研究人员利用同位素标记的微分电化学质谱、扩展X射线吸收精细结构和原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱等谱学技术，对晶格氧参与析氧反应过程进行原位检测，证实了低电负性氮的引入增加了氧化钴材料中“钴-氧”键的共价性，触发了LOM路径。该结构改变同时释放了非键态氧作为电子供体，不影响“钴-氧”的键序，限制了钴元素的溶解，增强了催化剂的稳定性能。

图2 碱性膜电解水制氢测试

在实际的碱性膜电解槽中，该设计的催化剂作为膜电极组件的阳极催化剂，电解槽在1Acm^-2电流密度为1.78V，并稳定地运行300小时以上。电解槽在1Acm^-2的电流密度运行1.75小时后，共产生2.925升氢气，对应的电耗为47.8度电每公斤氢气（图2）。

论文的通讯作者是合肥微尺度物质科学国家研究中心高敏锐教授，共同第一作者为中国科大博士研究生余鹏程、特任副研究员张晓隆、硕士研究生张天昀。相关研究受到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划等项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c05983

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）