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  近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员刘健团队与中国科学技术大学教授宋礼、悉尼科技大学副教授刘浩及教授汪国秀团队合作,制备出N掺杂空心多孔碳负载Co单原子纳米反应器(CoSA-HC)。该反应器作为锂-硒电池正极,表现出较高的放电容量、较好的倍率性能和循环稳定性,其库仑效率接近100%,为金属-硫族电池(MCB)电极的设计提供新思路。  刘健团队长期致力于深入研究微/纳米反应器中的催化基础理论,实现活性组分在纳米反应器中的精准定位。前期工作中,该团队与大连化物所研究员吴忠帅团队合作,发展出Fe1-xS纳米颗粒负载的多孔碳球纳米反应器,作为锂-硫电池正极基体,实现在0.5C的电流密度条件下,容量保持1070mAh/g循环200圈,而几乎没有衰减(AdvancedEnergyMaterials2020)。Se正极具有较好的电子导电性,与S正极的体积容量相当。然而,聚硒化物的穿梭效应导致Se与Li的反应活性低、容量衰减快,阻碍Li-Se电池的实际应用。  该研究中,研究人员借助单原子催化剂独特的电子结构、优异的原子利用效率及催化性能,通过使用PVP修饰的PS作为模板、调节双金属ZnCo-ZIFs前驱体中的Co和Zn含量,合成N掺杂空心多孔碳负载的Co单原子(CoSA-HC)纳米反应器。CoSA-HC纳米反应器中单原子Co位点可有效激活硒的反应活性,固定硒和聚硒化物;中空结构可提供更多的活性位点及更大的电极/电解液接触面积,改善传质效果及抑制反应过程带来的体积膨胀。  相关研究成果发表在《自然-通讯》(NatureCommunications)上,研究工作得到中科院洁净能源创新研究院合作基金等的资助。大连化物所发展出中空碳球负载Co单原子催化剂用于Li-Se电池正极材料

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  自1911年超导现象被发现以来,室温超导是人们孜孜以求的目标。然而,基于电-声耦合机制的常规超导体,其超导临界温度(Tc)通常很难超过麦克米兰极限~40K。20世纪80年代发现的铜氧化物高温超导体为实现室温超导带来希望,但是经过30多年的研究,最高Tc(常压下~134K,高压下~164K)很难进一步提高,而且非常规超导机理至今仍悬而未决。根据BCS理论,人们预期,如果在高压下获得金属氢或高度富氢材料可能会实现高温甚至室温超导。近年来,按照这一思路,在理论设计和实验合成富氢高温超导体方面取得进展,2014年发现硫化氢在高压条件下呈现出Tc=203K的高温超导电性,打破此前铜氧化物高温超导体保持的纪录,激发了人们探索室温超导的热情。2019年,德国、美国的两个研究组分别独立报道,超高压下合成的笼型富氢材料LaH10+δ具有Tc=250-260K的近室温超导,在国际上引起关注。然而,由于LaH10+δ及相关富氢超导材料的研究涉及兆巴(百万大气压)超高压条件下的原位高温合成和低温电输运测量,对高压实验技术提出较高的要求。  近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX6课题组副研究员洪芳、于晓辉与研究员程金光,中科院院士、物理所超导国家重点实验室研究员赵忠贤,以及北京高压科学研究中心研究员杨留响合作,克服各种高压技术难点,通过在70微米的金刚石对顶砧台面上手工布置标准四电极引线,采用氨硼烷作为氢源,利用激光加热使其分解产生氢气并与放置在金刚石对顶砧压腔内的La金属薄片反应。通过调节激光加热温度,在165GPa,1700K加热得到Tc≈240-250K的LaH10+δ。通过不同磁场下的电阻测试,进一步确认LaH10+δ的高温超导转变(图1)。  该研究重复出之前德国、美国研究组发现的LaH10+δ高温超导体,并发展了利用金刚石对顶砧开展兆巴高压下的原位激光加热与标准四电极电阻测试技术。该实验路线相对简单、易于推广,有助于推动超高压下富氢高温超导材料的探索研究。  相关研究成果发表在ChinesePhysicsLetters上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金和科技部重点研发计划项目的支持。此外,相关实验使用了在建的国家重大科技基础设施项目——综合极端条件实验装置的部分高压实验设备。  论文链接 左图为激光加热前后的样品和电极对比图,右图为升降温过程测试的电阻数据显示出超导转变;插图为不同磁场下的电阻数据,显示超导转变随磁场增加而逐渐向低温移动

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  振动的琴弦可持续很长时间,而某些材料在没有外部激励时会很快停止振动,两者的差异通常由材料内部的微观结构以及微观结构的耗散导致,物理上称之为“内耗”,即固体振动过程中的能量耗散,表征材料的阻尼性能。作为多晶材料重要的内耗源,晶界力学弛豫会引起内耗。    1947年,中国科学院院士葛庭燧首创可测量低频内耗的“葛式扭摆”,在多晶铝中发现晶界内耗峰(又称“葛式峰”),并用晶界粘滞性滑动模型给予解释,为“滞弹性”学科点定实验基础。此后,科研工作者们测量了许多多晶材料的内耗谱,但得到差异很大的实验结果,其中有的材料并不出现晶界内耗峰,有的材料则出现多个晶界内耗峰。基于晶界粘性滑动假设的已有理论难以解释这些实验现象。    近期,中科院力学研究所非线性力学国家重点实验室从微观变形机理出发,就晶界中粘弹性蠕变与扩散耦合,发展了用于描述晶界中粘弹塑性变形的数值方法,以研究多晶体中晶界弛豫引起的内耗。通过建立三维多晶模型,研究团队计算了损耗模量频率谱,发现除晶界切向应力的弛豫会导致损耗谱上产生耗散峰外,晶界法向应力的弛豫也会引起耗散峰的出现。这一双峰弛豫临界频率与晶粒尺寸d具有不同的幂律关系,其中低频峰临界频率正比于d^-3,高频峰临界频率正比于d^-1。研究两个耗散峰存在条件,发现高频的“葛式峰”由晶界的粘滞性滑移引起,低频峰由晶界的法向弛豫导致。该工作有助于研究晶界内耗峰的物理机制,以及地震波在多孔介质以及颗粒材料传播过程中的衰减。    相关成果以Scalingofinternaldissipationofpolycrystallinesolidsongrain-sizeandfrequency为题,发表在ActaMaterialia上,博士研究生段闯闯为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金委、中科院以及复杂系统力学卓越创新中心的支持。   论文链接  三维多晶的内耗峰尺寸效应:(a):Wigner-Seitz模型。(b):不同晶界体积分数 Φ 下的多晶体的损耗模量频率谱。高频峰对应于“葛式峰”,由晶界的粘滞性滑动引起;低频峰是新发现的耗散峰,由晶界的法向弛豫引起;。(c):两个峰对应的临界频率值与晶界体积分数 Φ 的关系。晶界体积分数  Φ 与晶粒寸尺 d 成反比,低频峰临界频率正比于d^-3,高频峰临界频率正比于d^-1 

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  以光为信息载体实现通信的光通信技术,凭借优异的速度传输性能和强大的信息容量成为现代社会最重要的技术之一。其中硅光子学,与成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺兼容,并且伴随着各类有源、无源的硅基光子器件的实现逐渐成为短程光通信中最具前景的技术。执行光电信号转换的光电探测器是光电链路的基本组成部分之一,虽然硅基光电探测器广泛应用于可见光谱范围(0.4-0.7μm),但通讯窗口1.31μm和1.55μm的近红外光子能量并不足以克服Si带隙(1.12eV)诱导光生电流,因此如何实现硅基探测器1.1μm以上的近红外探测仍然是发展单片光电集成技术所面临的难题。近年来,硅基肖特基二极管基于独特的内光电发射机制备受关注,它能在室温下探测到能量低于硅带隙的光,且材料结构和制造工艺简单廉价,有可能满足纯硅近红外光电探测器的需要。然而传统的金属-硅结构探测器存在响应低的缺陷,用透明导电玻璃(ITO)代替传统金属可以有效改善器件响应度,但也面临暗电流过大的问题,严重影响探测器的灵敏度。如何保证探测器对所需波长有响应并且有足够的响应,同时进一步降低器件暗电流提升其灵敏度,是实现高性能近红外硅基探测器的关键。  近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源实验室研究人员通过在硅衬底上制备纳米级的Au薄膜和ITO电极(图1),在硅基肖特基光电探测器研究方面取得进展。实验结果表明,高功函数Au的加入有效提高了肖特基势垒高度从而极大地抑制了器件暗电流,-1V下的暗电流密度为3.7×10-7A/cm2,比无Au插入的ITO/n-Si器件暗电流密度降低了7000多倍,±1V下的整流比高达1.5×108,这是硅基肖特基红外探测器目前所报道的最好结果(图2)。同时基于Au是延展性最好的金属,进一步减小中间插入层Au的厚度,结果显示2nmAu插入层能在保障器件暗电流性能的前提下明显地提升响应度,从而得到更高的光/暗电流比,大幅改善硅基肖特基光电探测器的整体性能(图3)。该工作作为一种具有低暗电流密度的硅基红外光电探测器将为实现光通信中单片集成纯硅光电探测器提供重要借鉴,期待未来在可见光至1.55μm甚至更长波段的光谱探测方面有重要应用。  该研究结果近日以HybridNano-ScaleAuwithITOstructureforHigh-PerformanceNear-InfraredSilicon-BasedPhotodetectorwithultralowdarkcurrent为题发表在PhotonicsResearch上。相关工作得到了国家自然科学基金的支持。图1.ITO/Au/n-Si肖特基光电探测器工艺流程示意图图2.(a)线性坐标(b)半对数坐标下0nm和6nmAu肖特基光电探测器暗态室温J-V特性(c)6nmAu探测器J-V温度依赖特性(d)Ln(J/T2)和1000/T关系图(e)1310nm(f)1064nm激光下室温光、暗态J-V特性。图3.(a)2-6nmAu肖特基光电探测器暗态室温J-V特性(b)0-6nmAu肖特基光电探测器Ln(J/T2)和1000/T关系图(c)零偏压下1100-1700nm器件光响应(d)1310nm激光下器件光电流随偏压变化(f)1310nm激光下器件-1V下的暗电流、光电流以及光/暗电流之比。

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  地下水资源对人工绿洲的发展至关重要,伴随气候变化和人类活动强度不断增加,塔里木盆地河道断流严重,地下水位持续下降给区域水资源和生态安全带来严峻挑战。人类活动已显著改变了绿洲自然地下水循环过程,那么,断流河道中下游的地下水发生了怎样的变化?地下水的时空演变规律、循环过程及其对气候变化和人类活动的响应等成为关注热点。  针对这一问题,中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室研究员陈亚宁团队利用塔里木盆地典型断流河区-渭干-库车绿洲近20年地下水监测数据,精细刻画了地下水位和水质的时空演变特征,采用标准化的偏回归系数和逐像元的多元线性回归方法,评估了绿洲和像元两个尺度下地下水对人类活动和气候变化的响应。  该研究发现,地下水位和矿化度均呈现显著的时空变异,其对环境因子的响应呈现明显的季节分异。地下水位在春季最浅,秋季最深,且以2.05m/10a的速率显著下降,主要归因于人类活动;地下水矿化度以0.21g/L·10a的速率减小,主要归因于气候变化;一般情况下,地下水埋深/矿化度的值越大,发生的动态变化越大;河床渗漏减少、蒸散发增加、地下水过度开采及农业排水等均引起地下水位持续下降。同时,该研究还给出了绿洲扩张前后的地下水循环过程概念图。  相关研究成果以Evolutioncharacteristicsofgroundwateranditsresponsetoclimateandland-coverchangesintheoasisofdried-upriverinTarimBasin为题发表在JournalofHydrology。该研究得到中科院战略性先导科技专项和中科院重点研发项目资助。  论文链接 塔里木盆地典型绿洲扩张前后地下水循环过程概念图

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  喀斯特地区土层浅薄且极不连续,下伏的表层岩溶带裂隙管道发育,这不仅使得喀斯特生态水文过程和植物水分环境明显区别于绝大多数非喀斯特地区,生态环境亦更为脆弱。西南喀斯特地区系全球三大喀斯特集中分布区之一,由于历史上不合理的人类活动和“十一五”以来大规模的生态保护与建设,几十年间,该区植被整体上经历了由破坏到恢复的变化过程,曾经以石漠化为主要特征的西南喀斯特山区植被覆盖度明显提升。但由于该区特殊的地质条件,地表水渗漏严重、水文过程迅速等导致降雨后只能维持数日的湿润环境,岩溶干旱频发,严重影响植物的生长和分布。同时,全球变化尤其是降水格局变化背景下,西南喀斯特地区不仅年均降水量呈下降趋势,极端气候事件(如降水和干旱)出现的频率亦明显升高,且这种变化的空间异质性正逐渐降低,致使该区植物承受双重水分胁迫。然而,目前已有研究对喀斯特典型生境植物如何响应水分条件变化仍缺乏深刻认识,限制了对已恢复植被群落稳定性评估与动态预测。  近期,中国科学院亚热带农业生态研究所研究人员基于环江喀斯特生态系统观测研究站的野外原位控制试验平台,聚焦经历持续135天(7-11月)的遮雨处理样地(大块孤立出露基岩),以无处理样地为对照,利用碳氢氧稳定同位素技术,结合植物生理生态学研究方法,跟踪监测分析了喀斯特典型石生环境不同生活型11种木本植物对生长季干旱的响应特征。研究发现,在无连续土层分布但风化基岩层裂隙管道较为发育的石生环境中,植物的用水策略差异不完全取决于常绿落叶等生活型特征。另外,接收自然降雨的不同生活型植物种在生长季期间各项理化指标变异程度较小;而干旱处理样地随着遮雨天数的增加,生境内可利用水分急剧减少,目标物种呈现出明显的两类响应特征。(1)遮雨条件下始终以浅层土壤或风化基岩层中物理深度相对较浅、频繁被雨水补给、氢氧同位素值波动大且易受蒸发影响的“水库”(即动态库)为主要水源的物种,由叶片黎明前水势反映的根区水分环境持续降低,且据正午水势的变异系数、线性混合模型、植物Hydroscape面积等多种定量方法计算结果均显示该类植物的非等水势程度较高,且物种固有水分利用效率较低、胸径普遍较小,干旱致死率较高。(2)遮雨期间能够以物理深度较深、仅能被较大降雨直接补给、基本不受蒸发影响且同位素值相对稳定的“水库”(即稳态库)为主要水源的物种,黎明前和正午水势均相对稳定,属于偏等水势类型植物,该部分物种固有水分利用效率高,且植物个体普遍较大,遮雨试验期间未出现干旱致死。  研究揭示的由水分来源深度(即根系深度)牵引的植物响应干旱的两类收敛性特征,不仅反映了喀斯特岩土环境在适生物种自然筛选方面强烈的生境过滤作用,更充分说明了依赖风化基岩层(即表层岩溶带)储水尤其是稳态库水分,以及与其紧密协同的偏等水势、高水分利用效率、处于演替后期等特征要素在植物抵御生长季干旱、降低干旱致死风险中的关键作用。  研究结果以Wateruptakedepthiscoordinatedwithleafwaterpotential,wateruseefficiencyanddroughtvulnerabilityinkarstvegetation为题,发表在植物学期刊NewPhytologist上。研究得到了国家自然科学基金、广西自然科学基金和中科院西部青年学者和青年创新促进会项目的支持。  论文链接  遮雨期间植物黎明前(a)及正午水势(b)变化特征图 遮雨干旱期间11种喀斯特木本植物的7个关键植物功能性状之间的紧密耦合和共同变异特征

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