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1、人工智能驅(qū)動(dòng)的裂隙介質(zhì)精細(xì)刻畫(huà)研究

2、富勒烯基高效電催化劑研究

3、高性能核心射頻基礎(chǔ)元件研制

人工智能驅(qū)動(dòng)的裂隙介質(zhì)精細(xì)刻畫(huà)研究

資源與環(huán)境工程學(xué)院錢(qián)家忠教授團(tuán)隊(duì)在人工智能驅(qū)動(dòng)的裂隙介質(zhì)精細(xì)刻畫(huà)方面取得新的研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Deep learning-based inversion framework for fractured media characterization by assimilating hydraulic tomography and thermal tracer tomography data: Numerical and field study”為題在工程地質(zhì)領(lǐng)域著名期刊《Engineering Geology》上發(fā)表。合肥工業(yè)大學(xué)為論文的第一和通訊作者單位，南京大學(xué)、北京大學(xué)為論文合作單位。論文第一作者為碩士研究生陳賜海，通訊作者為鄧亞平講師和馬雷教授。

在煤礦開(kāi)采、深地質(zhì)處置、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)等地下工程中，裂隙介質(zhì)在地下水流動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移及熱量傳輸中起到了關(guān)鍵作用。因此，對(duì)裂隙介質(zhì)進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)能夠?yàn)榈叵鹿こ痰陌踩€(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)合理性評(píng)估提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。然而，裂隙介質(zhì)參數(shù)場(chǎng)具有高維非高斯分布的特點(diǎn)，阻礙了傳統(tǒng)反演方法的直接應(yīng)用。同時(shí)，以往研究主要依賴單一類型數(shù)據(jù)且使用了大量的觀測(cè)井，與實(shí)際工程需求脫節(jié)。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，本研究采用基于深度學(xué)習(xí)方法的聯(lián)合反演框架（Convolutional variational autoencoder-ensemble smoother with multiple data assimilation, CVAE-ESMDA），融合水力層析及熱示蹤層析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了在較少觀測(cè)點(diǎn)情況下對(duì)裂隙介質(zhì)的精細(xì)刻畫(huà)。此外，為體現(xiàn)框架在實(shí)際工程中的有效性，本研究還對(duì)德國(guó)哥廷根大學(xué)北校區(qū)一處裂隙含水層場(chǎng)地進(jìn)行了精細(xì)刻畫(huà)。

圖1（a）CVAE示意圖（b）CVAE-ESMDA聯(lián)合反演框架示意圖

圖2（a）哥廷根大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)地地點(diǎn)（b）試驗(yàn)場(chǎng)地井布設(shè)情況（c）水力層析試驗(yàn)、熱示蹤試驗(yàn)中井的設(shè)置情況

研究論文得到以下主要認(rèn)識(shí)，一是深度學(xué)習(xí)方法能夠使用低維、高斯分布的潛變量來(lái)表征高維、非高斯分布的裂隙介質(zhì)參數(shù)場(chǎng)，克服了傳統(tǒng)反演方法的缺陷且為后續(xù)的精細(xì)刻畫(huà)打下了基礎(chǔ)；二是通過(guò)多源數(shù)據(jù)之間的協(xié)同效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在較少觀測(cè)井下的裂隙介質(zhì)精細(xì)刻畫(huà)。

圖3 實(shí)際場(chǎng)地裂隙介質(zhì)含水層融合單一數(shù)據(jù)與多源數(shù)據(jù)刻畫(huà)結(jié)果對(duì)比

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目等支持。

論文鏈接：

富勒烯基高效電催化劑研究

材料科學(xué)與工程學(xué)院呂珺教授、沈王強(qiáng)副教授研究團(tuán)隊(duì)與海南大學(xué)/華中科技大學(xué)盧興教授、張建教授課題組合作，在電催化合成過(guò)氧化氫領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Synergistic Single-Atom and Clustered Cobalt Sites on N/S Co-Doped Defect Nano-carbon for Efficient H2O2 Electrosynthesis”為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nano-Micro Letters》上。文章第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生黃煜中、博士研究生王鑫禹和海南大學(xué)/華中科技大學(xué)博士生張昌。沈王強(qiáng)和盧興為通訊作者。

調(diào)整碳材料的幾何與電子結(jié)構(gòu)對(duì)提升碳基催化劑的催化性能至關(guān)重要。雜原子（如B、N、S、Co等）因原子半徑與電負(fù)性不同，摻雜至碳晶格可誘導(dǎo)晶格扭曲和電荷重排，從而增強(qiáng)催化活性。目前，非貴金屬摻雜碳催化劑在4e? ORR領(lǐng)域已取得顯著進(jìn)展，部分性能甚至超越貴金屬催化劑。然而，在2e? ORR過(guò)程中，其活性與選擇性仍受限。一方面，該反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較4e? ORR更緩慢；另一方面，傳統(tǒng)熱解法易引入金屬納米顆粒，而其存在可能抑制2e? ORR反應(yīng)。近期研究表明，熱解摻雜的雜原子與金屬納米顆?？尚纬蓞f(xié)同催化效應(yīng)，優(yōu)于單一金屬原子或納米顆粒。因此，將金屬單原子與納米顆粒協(xié)同負(fù)載于缺陷豐富的納米碳基體，有望提升催化活性與選擇性，實(shí)現(xiàn)更高效的H?O?合成。

富勒烯因其天然富含五元拓?fù)淙毕?、高電子親和力及優(yōu)異電子傳輸性能，可通過(guò)調(diào)控碳籠結(jié)構(gòu)以促進(jìn)摻雜與活性位點(diǎn)構(gòu)筑，使基于C??的電催化劑在耐久性和抗腐蝕性上表現(xiàn)突出，尤其適用于酸性環(huán)境。本研究首次以富含固有五邊形缺陷的C??為碳基底，合成摻雜NSCo單原子及Co納米顆粒的富缺陷納米碳催化劑（CoSA/CoNP-NSDNC）。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，NSCo單原子與鈷納米顆粒簇協(xié)同構(gòu)筑活性位點(diǎn)，使催化劑在0.72V（vs.RHE）展現(xiàn)高活性，且在500mV寬電位窗口內(nèi)H?O?選擇性達(dá)90%。作為酸性自組裝流動(dòng)池陰極，其H?O?生成速率達(dá)4206.96mmol·g?cat??1·h?1，法拉第效率約95%，并可高效降解有機(jī)污染物。本研究聚焦于非貴金屬納米顆粒、金屬單原子位點(diǎn)及拓?fù)淙毕莸膮f(xié)同作用，為高效H?O?電合成的碳基催化劑設(shè)計(jì)提供新思路。

圖1 電化學(xué)性能和穩(wěn)定性測(cè)試

在0.1MHClO?溶液中，采用旋轉(zhuǎn)環(huán)盤(pán)電極（RRDE）和三電極系統(tǒng)對(duì)催化劑的ORR性能進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，與Co-NSC相比，CoSA/CoNP-NSDNC展現(xiàn)出更高的盤(pán)電流密度、環(huán)電流及H?O?產(chǎn)率，其H?O?選擇性在0.1V至0.6V電位范圍內(nèi)最高達(dá)90%。此外，催化劑的起始電位為0.72V（vs.RHE），顯著高于Co-NSC的0.64V，表明五邊形拓?fù)淙毕莸囊肟捎行嵘齇RR活性和H?O?選擇性。SCN?中毒實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了催化劑的活性位點(diǎn)，結(jié)果顯示SCN?能與Co單原子位點(diǎn)結(jié)合，導(dǎo)致起始電位降低及盤(pán)電流衰減。此外，與不含Co納米顆粒簇的NSC60相比，Co單原子與穩(wěn)定的Co納米顆粒均對(duì)2e? ORR過(guò)程起關(guān)鍵作用，證實(shí)了二者間的協(xié)同效應(yīng)對(duì)催化活性的提升至關(guān)重要。

圖2 氣體擴(kuò)散電極中電合成過(guò)氧化氫產(chǎn)量及穩(wěn)定性和電芬頓降解有機(jī)污染物反應(yīng)

CoSA/CoNP-NSDNC在酸性環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，5000次循環(huán)伏安掃描后，其LSV曲線無(wú)明顯衰退。相較于Co-NSC，該催化劑具備更高的比表面積與拓?fù)淙毕菝芏?，表現(xiàn)出更優(yōu)異的二電子氧還原反應(yīng)性能。在流動(dòng)電池測(cè)試中，催化劑在O?飽和酸性條件下，0.056V電位時(shí)的H?O?產(chǎn)率高達(dá)4206.96mmol·g?cat??1·h?1，法拉第效率接近95%。在自然環(huán)境條件下，150分鐘內(nèi)H?O?累積濃度達(dá)2086.72mg·L?1，且產(chǎn)率穩(wěn)定，經(jīng)Ce(SO?)?溶液吸光度變化驗(yàn)證，其H?O?生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定可靠。循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試進(jìn)一步確認(rèn)了催化劑的耐久性優(yōu)異，適用于長(zhǎng)期電化學(xué)應(yīng)用。與近期報(bào)道的2e? ORR催化劑相比，該催化劑在H?O?合成方面表現(xiàn)突出，并兼具優(yōu)異的穩(wěn)定性和應(yīng)用潛力。此外，在電Fenton催化降解實(shí)驗(yàn)中，50mg·L?1甲基藍(lán)和孔雀石綠分別在3分鐘和25分鐘內(nèi)被快速降解，表明其在有機(jī)污染物降解方面同樣具備卓越的催化能力。

綜上，本研究基于富勒烯的獨(dú)特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)筑了同時(shí)負(fù)載NSCo單原子和鈷納米顆粒的富缺陷納米碳催化劑，并證實(shí)了其在2e? ORR中的高效催化性能。研究表明，Co單原子與鈷納米顆粒的協(xié)同作用可有效提升催化活性和H?O?選擇性，同時(shí)保持優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性。

本研究全面依托先進(jìn)能源與環(huán)境材料國(guó)際科技合作基地、清潔能源新材料與技術(shù)學(xué)科創(chuàng)新引智基地（111計(jì)劃）、安徽省先進(jìn)納米能源材料國(guó)際科技合作基地、先進(jìn)功能材料與器件安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等高水平科研平臺(tái)，相關(guān)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等支持。

高性能核心射頻基礎(chǔ)元件研制

微電子學(xué)院黃文教授團(tuán)隊(duì)在高性能核心射頻基礎(chǔ)元件研制領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Wafer-scale platform for on-chip 3D radio frequency lumped passive components using metal self-rolled-up membrane technique”為題在國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上發(fā)表。合肥工業(yè)大學(xué)為論文的第一和通信作者單位，天通瑞宏科技有限公司、中國(guó)信息通信研究院及其深圳分院、深圳大學(xué)、射頻異質(zhì)異構(gòu)集成全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文合作單位。論文第一作者為微電子學(xué)院博士研究生周志坤，通信作者為黃文教授。

作為片上3D射頻自卷曲電子元器件研究領(lǐng)域的引領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)在《Nature Electronics》《Science Advances》已發(fā)表一作論文3篇，取得了重要的里程碑式成果。此次研究成果在該領(lǐng)域第一次實(shí)現(xiàn)了3D射頻自卷曲電子元件在商用4英寸產(chǎn)線上的批量制造，解決了3D元件難以從晶圓上無(wú)損剝離的瓶頸問(wèn)題。與當(dāng)前主流商用元件相比，3D射頻自卷曲電感的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)了同類產(chǎn)品，電感密度提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。該技術(shù)不但讓當(dāng)前常規(guī)核心射頻基礎(chǔ)元件體積或占用芯片面積縮小了10—100倍，還使得片上制造和集成高感值和高容值元件成為可能。這些突破性成果對(duì)研制高集成度、小型化射頻芯片和模塊具有重要意義，特別適合應(yīng)用于對(duì)體積和重量有嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖：基于金屬驅(qū)動(dòng)自卷曲技術(shù)工藝平臺(tái)及在4英寸商用線批量制造的樣品照片

該項(xiàng)研究得到了“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目“基礎(chǔ)三維無(wú)源元件的單片高集成度自卷曲技術(shù)”（2021YFA0715300）的資助。

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