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日月其迈，东大以实干凝聚力量

时盛岁新，东大以笃行谱写新篇

01

东北大学姜周华教授团队在Nature子刊上发表最新研究成果

近日，东北大学冶金学院姜周华教授团队在提升不锈钢耐蚀性创新设计方面取得重要突破，相关成果“Design for improving corrosion resistance of duplex stainless steels by wrapping inclusions with niobium armour” 发表于《自然•通讯》（Nature Communications）。论文作者为张树才、冯浩、李花兵、姜周华、张涛、朱红春、蔺岳、张伟、李国平，其中，第一作者为冶金学院讲师张树才，通讯作者为冶金学院/多金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室李花兵教授。东北大学冶金学院为第一完成单位，东北大学材料科学与工程学院张涛教授、中信金属有限公司张伟博士和山西太钢不锈钢股份有限公司李国平教授级高工为合作完成人。

钢铁材料的腐蚀失效不仅会导致灾难性安全事故，还会造成巨大的经济损失。为满足基础设施和装备的长寿命需求，一系列高耐蚀不锈钢相继被开发出来。但随着服役环境日益苛刻，这些不锈钢仍会发生腐蚀。非金属夹杂物是腐蚀的主要诱因之一，通常会造成“千里之堤，溃于蚁穴”的严重影响，在高温、高氯等极端苛刻的环境中，其危害尤为突出。对此，科研人员探索了很多方法以减轻夹杂物的危害，如深脱氧、深脱硫和改性处理等。然而，这些方法的效果有限，夹杂物或周围基体仍会发生腐蚀。因此，如何有效防止夹杂物引起的腐蚀失效，成为了钢铁材料腐蚀防护领域迫在眉睫的挑战。

该项研究打破了传统“依靠洁净度控制和改性处理减轻夹杂物危害”的思维局限，创新提出“利用耐蚀铌铠甲（Z相）包裹有害夹杂物以显著提高双相不锈钢耐蚀性”的策略。该策略巧妙运用了微合金化和异质形核原理，实现了含铌Z相有效包裹夹杂物（图1）和Z相和其周围基体具有良好的耐蚀性（图2）两个关键目标控制。

图1 S32205双相不锈钢中含铌Z相包裹夹杂物（“夹杂物@Z相”核壳结构）表征

图2 含铌与无铌S32205双相不锈钢在72℃两倍浓度海水（a-c）和50℃ 6%FeCl₃溶液（d-g）中耐腐蚀性能对比

本研究独辟蹊径，巧妙施策，利用耐蚀“铌铠甲”（Z相）包裹有害夹杂物，攻克了“夹杂物引起腐蚀失效”这一久攻不克的顽疾，在系列双相不锈钢（S32101、S32304、S32205、S32507、S32707）和工业化生产中具有很强的普适性（图3）。该研究为不锈钢材料腐蚀防护提供了新思路，对保障高端装备长寿命和安全稳定运行具有重要意义。

图3 含铌Z相包裹夹杂物改善耐蚀性策略的普适性验证（b-d腐蚀环境：72℃两倍浓度海水）

02

东北大学徐大可教授等人在国际著名期刊Advanced Functional Materials发表最新研究成果

近日，东北大学材料科学与工程学院王福会团队徐大可教授等人在使用活体功能微生物被膜材料在金属腐蚀防护中取得重要进展，研究成果以“Engineered living biofilm with enhanced metal binding ability for corrosion protection in seawater”为题发表在Advanced Functional Materials上。论文第一作者为李中副教授，通讯作者为徐大可教授、生命科学与健康学院范永强教授。合作者包括澳大利亚Wollongong大学Guangming Jiang副教授和美国Ohio大学Tingyue Gu教授。

金属材料腐蚀失效导致的经济损失占到各国每年国民生产总值的3.5%左右。传统的腐蚀防护手段包括涂层、表面处理、耐蚀材料、缓蚀剂、电化学防护等。这些技术虽各具优势，但仍面临诸多固有的缺陷和不足，例如环境污染大、能耗高、维护成本高等。绿色、高效、廉价的腐蚀防护理念与技术是当今社会发展的迫切需求和美好愿景。活体微生物被膜应用于金属腐蚀防护具有成本低廉、绿色环保、适用范围广、遗传操作性强等诸多天然优势。

近年来，通过对生物被膜表面修饰、信号通路调控、与无机材料组装等，研究人员开发出多种具有环境修复、医疗应用、生物催化、水下粘附等功能的活体生物被膜材料。相关研究为开发活体功能微生物应用于金属腐蚀防护提供了理论依据和技术支撑。

论文以大肠杆菌为底盘菌株，通过分子生物学技术对其基因组进行改造，增强其生物被膜形成能力，并通过合成生物学技术将源于铜绿假单胞菌的金属结合域（Metal binding domain）展示到活体大肠杆菌的淀粉样纤维蛋白表面，构建了具有强金属结合能力的工程化大肠杆菌生物被膜。工程化的活体微生物被膜提高了X70碳钢的耐腐蚀性能。在模拟海水中浸泡后，活体微生物被膜还在X70表面诱导形成了以方解石为主的矿化层，提供了稳定的腐蚀屏障。浸泡7天后，腐蚀电流密度从5.1±0.4 μA cm⁻²（裸露金属）降低到0.5±0.1 μA cm^–2（矿化的生物被膜包裹），腐蚀抑制率为90.2%。此外，该活体工程生物被膜对于304不锈钢同样具有良好的防腐效果。

上述结果表明，工程生物膜对于金属腐蚀防护具有广泛的应用前景，合成生物学的应用为水环境金属腐蚀防护技术的发展提供了新的途径。

图 设计制备活体功能生物被膜在金属腐蚀防护中的应用

据悉，活体功能材料是将生物的生命行为赋予物质载体的一种新型功能材料，属于生物和材料科学交叉的研究领域，该研究方向在国内刚刚起步。融合材料科学与微生物学的技术手段，全局设计，实现了智能合成微生物被膜的特定功能与应用，具有重要现实意义。活体功能材料将作为东北大学电活性生物材料交叉研究中心的重要研究方向之一，围绕“四个面向”，做好学科方向发展布局。

03

东北大学赵宇海教授团队最新研究成果被人工智能领域顶级会议AAAI2024录用

近日，东北大学计算机科学与工程学院赵宇海教授团队在多标签学习领域取得最新研究进展。论文“Limited-Supervised Multi-Label Learning with Dependency Noise”被人工智能领域顶级国际会议AAAI 2024（Annual AAAI Conference on Artificial Intelligence）长文录用。

AAAI是CCF推荐的A类国际学术会议，在人工智能领域享有很高的学术声誉。本次会议共收到9862篇投稿，录用2342篇，录用率约23.75%。该项研究成果的取得，标志着计算机科学与工程学院学者在人工智能领域取得了较大进展，研究水平和能力获得了国内外同行的广泛认可，有效提升了我校在相关领域的学术影响力和贡献度，为今后我校学者与国际顶尖学者的交流互动奠定了良好基础。

论文第一作者为团队成员王业江博士。该研究成果由东北大学联合新加坡理工大学研究人员共同完成。论文创新性地提出了一种依赖噪声的有限监督多标签学习方法，着眼于解决多标签分类模型训练中的标签噪声问题。相对于先前的研究，该方法考虑了标签噪声与输入特征和类标签相关的实际情况，通过同时识别实例相关和标签相关的标签噪声，为解决这一问题提供了一种创新的解决方案。另外还通过引入流形约束对问题进行正则化，以保持局部关系并揭示数据的流形结构。这一综合的方法在理论上通过设定噪声恢复误差的上界，为解决实际问题提供了坚实的理论基础。最终的实验证明表明，该方法在处理标签噪声方面表现出卓越的性能，为多标签学习领域的发展提供了一项具有创新性和实际应用价值的贡献。

04

东北大学毛羽鹏副教授团队在国际著名期刊Advanced Functional Materials上发表最新研究成果

近日，东北大学体育部毛羽鹏副教授微纳智能体育科研团队在生物质摩擦电传感赋能运动健康领域取得突破进展，相关研究成果以“Deep-learning-assisted neck motion monitoring system self-powered through biodegradable triboelectric sensors”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials上。体育部2021级硕士研究生孙丰鑫为论文第一作者，毛羽鹏副教授为通讯作者，东北大学为第一单位和通讯单位。

在人工智能和物联网新时代，智能体育大数据收集和分析在监测人类健康方面具有重要意义。可穿戴电子产品集成先进传感器和数据分析算法，可以实时分析人体健康状况，准确跟踪和记录人体活动，为个性化健康监测和运动训练提供了前所未有的机会。需要指出的是，传统电池供电设备存在的局限性限制了可穿戴电子产品在运动监测领域中的应用。例如，频繁更换电池或为电池充电以及废弃电池等不仅导致环境污染，同时不易于实时监测运动过程。

本工作利用天然生物可降解的生物质材料——玉米苞叶作为介电层，结合摩擦电纳米发电技术开发了一种自供电生物可降解摩擦电传感器。该研究避免了由于焚烧玉米苞叶引起的环境污染，实现了人体机械能的收集，同时实现了对人体运动的智能化监测。

图 器件制造及结构表征

为了实现对运动中颈部稳定性监测和日常生活中颈部疾病预防，团队将三个相同的NB-TENG传感器与弹性可拉伸的纺织品集成在一起，以获得可穿戴颈部状态监测传感器（NCM-TS）。通过将NCM-TS与深度学习模型相结合，构建了一个智能行为监测系统，该系统能够识别四种类型的颈部运动，平均准确率为94%。本研究开发的颈部运动监测传感器在智能体育大数据收集、运动监测、康复训练和医疗保健方面具有广泛的应用潜力。

图 集成深度学习辅助数据分析的智能行为监测系统

05

东北大学李犁教授团队在锂金属电池金属负极领域取得重要研究进展

近日，东北大学李犁教授团队在锂金属电池金属负极领域取得重要进展。相关成果“A crystalline carbon nitride–based separator for high-performance lithium metal batteries”发表于国际顶级期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United State of America (PNAS)。东北大学为该论文第一作者单位，东北大学理学院博士研究生邸栓龙和冶金学院博士研究生李宏观为共同第一作者。

锂金属电池具有更高的能量密度，在新一代电化学储能中具有广阔的应用前景。金属锂作为电池负极具有较高的理论容量，但在循环过程中不均匀的沉积容易发展为枝晶形式的生长，表现出较差的稳定性，也带来一定的安全隐患，制约了锂金属电池的发展。

通过使用高结晶度的氮化碳作为隔膜修饰层来抑制锂枝晶的生长。高结晶度氮化碳中扩展的共轭结构使电子更容易迁移，结构中的氯离子和高含量的吡咯氮增强了和锂离子间的相互作用。实验结果表明，高结晶度的氮化碳修饰层能均匀化离子通量，实现了锂的均匀沉积，提升了对称电池和Li//LiFePO₄全电池的稳定性。

图 高结晶氮化碳的结构及其在锂金属电池中的应用

该工作通过结晶度工程对氮化碳材料进行了调控，拓展了氮化碳基材料在先进电池体系的应用，也为锂金属电池功能化隔膜的设计提供了新的见解。

06

东北大学EPM教育部重点实验室稀土磁性材料课题组在Small发表新成果

近日，东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室稀土磁性材料课题组在Small期刊发表了题为“In-Plane Chemical Ordering (Mo_2/3R_1/3)₂AlB₂ (R = Tb, Dy, Ho, Er, Tm and Lu) i-MAB Phases and their Two-dimensional Derivatives (MBene): Synthesis, Structure, Magnetic and Supercapacitor Performance”的研究论文。东北大学为第一通讯单位，材料科学与工程学院博士研究生种禾为第一作者，崔伟斌教授为通讯作者。

新能源开发利用已经成为未来的能源发展主流，包括风能、水能、核能等能源技术都已经普遍应用。然而能量的存储是个不可避免的课题，而超级电容器是一种新型的能量存储与转化装置，不但拥有较高的能量密度，而且功率密度也很高，是一种能够在能源紧缺时代解决不断增长的能源需求的技术。以MXene为代表的二维材料，在新能源领域中有广泛的应用。

MXene是一种从MAX相中通过拓扑化学法刻蚀得到的一种二维过渡金属碳/氮化物，其继承了MAX相前驱体较为单一的的六次对称结构，具有比表面积大、化学组成丰富、表面官能团多样可调等特点，在能量存储转化等领域具有极大的应用潜力。与MAX相主要结晶于P6₃/mmc六方空间群不同，得益于硼元素的欠电子特性，MAX相的硼化类似物MAB相往往具有丰富晶体结构（如Cmcm、Cmmm、Immm、Pmmm）。其展现出的类似于MAX相的可化学剥离为二维MXene的前景也吸引着研究者的目光，故开发新的可二维化的MAB相前驱体对其二维衍生物MBene的应用具有重要意义。

该研究合成并表征了一系列稀土有序占位的层状硼化物(Mo_2/3R_1/3)₂AlB₂ (R = Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu) i-MAB相。(Mo_2/3R_1/3)₂AlB₂晶体结构为R-3m六方结构，Mo原子与稀土R原子在Mo-R层内有序交替排列，其中R原子位于Mo原子正六边形中心位置并略突出Mo-R层向Al层延伸（图1）。

图1 (a)(Mo_2/3Ho_1/3)₂AlB₂的XRD精修图谱，(b) (Mo_2/3Ho_1/3)₂AlB₂的晶胞参数对比；(Mo_2/3Ho_1/3)₂AlB₂沿(c)[100], (d)[-110], (e)[001]轴的STEM-HAADF及选区电子衍射图像

由于稀土原子4f电子的自旋相互作用，(Mo_2/3R_1/3)₂AlB₂化合物在低温下表现出外场诱导的磁矩翻转现象，并且随着磁晶各向异性场的逐渐减弱，从R=Tb到Tm，磁矩翻转所需临界场逐渐减小(图2)。

图2 (Mo_2/3Ho_1/3)₂AlB₂(R = (a)Tb, (b)Dy, (c)Ho, (d)Er, (e)Tm)在0.1 T外场下的此热曲线；(Mo_2/3Ho_1/3)₂AlB₂(R = (f)Tb, (g)Dy, (h)Ho, (i)Er, (j)Tm)不同温度下的等温此话曲线；(Mo_2/3Ho_1/3)₂AlB₂(R = (k)Tb, (l)Dy, (m)Ho, (n)Er, (o)Tm)4 K等温此话曲线对应的dM/dμ₀H曲线

通过拓扑化学法选择性刻蚀掉(Mo_2/3R_1/3)₂AlB₂中的Al原子层和R原子，可得到具有R有序空位，且保持(Mo_2/3R_1/3)₂AlB₂母相六次对称的二维衍生物MBene(图3)。通过773 K氮化处理，其仍然保持六次对称和层状结构，较原始MBene，其电荷转移电阻大幅减小、质量比电容大幅提升至219F/g（在2mV/s的扫描速率下），这得益于层间层间插层离子的分解脱嵌以及Mo-N键的引入。进一步提升氮化温度至973 K，MBene可转变为结晶性较差的晶态Mo₂N纳米片，其质量比电容为229F/g（在2mV/s的扫描速率下）(图4)。

图3 MBene的STEM-HAADF图像及相应的快速傅里叶变换(插图)

图4 MBene@Ho, MBene@Ho-N573K, MBene@Ho-N773K, MBene@Ho-N973K (a)在50mV/s扫速下的CV曲线，(b)质量比电容，(c)Nyquist图，(d) MBene@Ho-N973K的b值拟合结果

该研究拓宽了稀土有序占位的纳米层状硼化物体系，探索了该体系的晶体结构与磁性；通过拓扑化学法刻蚀，将稀土元素与二维储能体系进行结合，拓宽了稀土元素在超级电容器中的应用。

07

东北大学秦皇岛分校伊廷锋教授团队在可充电锌—空气电池氧电催化剂领域取得重要突破

近日，东北大学秦皇岛分校资源与材料学院伊廷锋教授团队在可充电锌—空气电池氧电催化剂领域取得重要进展，研究成果“Self-assembled 3D N/P/S-tridoped carbon nanoflower with highly branched carbon nanotubes as efficient bifunctional oxygen electrocatalyst towards high-performance rechargeable Zn-air batteries”（自组装的具有高度支化的碳纳米管的三维氮/磷/硫—三掺杂碳纳米花作为有效双功能氧电催化剂应用于高性能可充电锌—空气电池）发表于材料领域国际著名刊物Advanced Functional Materials。秦皇岛分校材料科学与工程专业博士研究生常慧为本文的第一作者，伊廷锋教授和四川大学张千玉副教授为论文通讯作者。东北大学为第一完成单位。

可充电锌—空气电池(ZAB)具有理论能量密度高、成本低、资源丰富和环境友好等优点，是一种有发展前景的新型电动汽车储能装置。空气电极是决定电池性能的关键因素，而空气电极上缓慢的氧还原(ORR)和氧析出反应(OER)是导致电池性能降低的关键因素。ZABs的商业化在很大程度上受限于传统催化剂的高成本，例如用于ORR的Pt基催化剂和用于OER的RuO₂/IrO₂催化剂。因此，开发成本低、活性高、稳定性好的非贵金属氧电催化剂已成为一种趋势。其中，三维结构可以降低催化剂内部气体与电解质之间的扩散阻力，扩大活性位点与反应物之间的接触，从而更大程度地发挥催化剂的性能。

金属有机框架(MOFs)是一种优良的前驱体，这是因为MOFs不仅与有机配体桥接的金属节点复合，提供催化所需的过渡金属、碳和杂原子，而且具有可控的周期性。MOF衍生的碳基催化剂因其优异的导电性和丰富的活性位点而广泛应用于催化反应。通过控制MOF的形貌和结构来提高样品的电催化活性是最常用的方法之一。通过自组装形成三维结构可以有效地抑制传统纳米片反应过程中的自聚集，确保活性位点的有效暴露。然而，三维MOF自组装结构的合成需要特定的有机溶剂(如DMF、甲醇)，这严重增加了MOF的合成成本。因此，通过合适的自组装方法将MOF材料转化为三维多孔材料，促进电子的快速转移具有重要意义。

此外，催化剂的组成是一个关键的标准。杂原子(N/P/S/B)掺杂策略和金属活性位点协同效应促进了ORR和OER过程。杂原子的电负性和原子尺寸的差异可以诱导氮掺杂碳材料产生更高的自旋密度和电子离域，从而增强ORR/OER活性。

图 Co/SP-NC催化剂的设计及结构模型

基于此，该研究团队制备了具有高度支化碳纳米管的三维氮/磷/硫-三掺杂纳米花双功能催化剂(Co/SP-NC)，其主要是以硫酸铵为表面活性剂，以次磷酸钠为还原剂。硫酸铵驱动二维Zn/Co-ZIF自组装为三维纳米花同时提供活性S原子。此外，次亚磷酸钠诱导三维Zn/Co-ZIF纳米花表面形成高支化的碳纳米管。

此外，第一性原理计算证实了氮、磷、硫的引入可以有效激活水和氧分子，同时形成大量的缺陷位点并改变Co物种周围的配位环境，大大增加了活性中心的数量。与此同时，结果表明，适当的P掺杂不仅可以提高基底的电子导电性，也有助于提高OER/ORR过程中的电荷转移。所制备的Co/SP-NC电催化剂具有良好的双功能活性，半波电位为0.8603 V，10 mA cm^-2下的过电位为343 mV。由Co/SP-NC组装的锌空气电池具有超高的功率密度(187mw cm⁻²)和良好的循环性能(超过280 h)。这项工作为制备三维自组装的纳米花提供了一种可控的方法尤其适用于可充电锌-空气电池。

历经风雨洗礼

阔步科研征程

脚踏实地 真抓实干

百年东大 勇毅前行

来源 | 东北大学新闻网

编辑 | 马小涵

责编 | 赵春时 杨明

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