我國科研團隊首創(chuàng)程序化

交流電合成新技術(shù)

科技日報2024年7月15日報道，從武漢大學獲悉，該校高等研究院、化學與分子科學學院雷愛文教授團隊首創(chuàng)程序化交流電合成新技術(shù)應(yīng)用于銅催化碳氫鍵轉(zhuǎn)化反應(yīng)，解決了電合成條件下過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難題。7月11日相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學》雜志。

合成電化學新技術(shù)是國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會（IUPAC）評定的2023年度化學領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。因為其具備綠色、安全和低能耗特性，可用于解決當前基于化石能源驅(qū)動的現(xiàn)行生產(chǎn)力產(chǎn)生的環(huán)境污染、安全生產(chǎn)風險和高能耗問題。

雷愛文介紹，這種新興合成技術(shù)主要以直流電（DC）作為驅(qū)動力，通過調(diào)節(jié)電流或者電壓控制化學反應(yīng)過程。交流電（AC）具有極性反轉(zhuǎn)和周期性波動特點，且具備如波形、頻率、占空比等更多可調(diào)節(jié)電學參數(shù)的優(yōu)勢，為實現(xiàn)精準物質(zhì)制造提供“無限潛力”。

然而，更多維度的電學參數(shù)引入電化學合成反應(yīng)中會導(dǎo)致可優(yōu)化的反應(yīng)條件呈指數(shù)級增加，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)例簡單應(yīng)用研究見諸報道。

雷愛文團隊耕耘綠色合成化學超過15年，該項研究首創(chuàng)開發(fā)了可編程波形交流電（pAC）合成技術(shù)，實現(xiàn)了銅催化的放氫氣氧化交叉偶聯(lián)反應(yīng)。通過對交流電波形的電學參數(shù)（頻率、電流和占空比）進行程序編輯，可得到定制化交流電信號。

不同編輯模式的電信號不僅促進電解條件下銅催化劑循環(huán)再生，且分別精準調(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，該團隊還開發(fā)了原位電子順磁共振波譜—交流電解聯(lián)用表征技術(shù)，首次觀測到不同交流電信號動態(tài)調(diào)控銅催化物種活性的變化規(guī)律?；诳删幊探涣麟姾铣杉夹g(shù)，團隊成功實現(xiàn)銅催化活化烷烴直接碳氫鍵氧化偶聯(lián)反應(yīng)和氧化雙官能團化反應(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?？删幊滩ㄐ谓涣麟姾铣杉夹g(shù)的出現(xiàn)，將為合成電化學新技術(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，為化學化工綠色化、智能化和高端化提供新動能。

（2024年7月15日 吳純新 吳江龍 朱永成 科技日報）

科學家創(chuàng)有機小分子

催化新紀錄

中國科學報2024年7月18日報道，1個催化劑分子，完成了100萬次催化。這一突破創(chuàng)下了有機小分子催化的新紀錄，可以和自然界的酶相媲美。

近日，西湖大學徐益明講席教授鄧力實驗室在《美國化學會志》第146卷第24期發(fā)表了題為《ppm級不對稱弱鍵有機催化合成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)動力創(chuàng)造了高效。

催化效率低嚴重制約有機催化領(lǐng)域的發(fā)展，成為該領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)的科學問題之一。是否可能模仿生物酶催化機制開發(fā)新一代有機小分子催化劑，以實現(xiàn)媲美酶催化效率而依然保持底物范圍優(yōu)勢？這個問題對于有機催化領(lǐng)域的理論發(fā)展和其在合成化學中的應(yīng)用前景至關(guān)重要。

鄧力團隊開發(fā)手性季銨鹽有機小分子催化劑，成功建立了α-氨基膦酸衍生物不對稱合成最高效實用的合成新方法。高對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。當以α-甲基亞胺膦酸酯為底物時，轉(zhuǎn)化數(shù)超過百萬，為不對稱有機催化新紀錄。

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

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

該項研究工作實現(xiàn)了ppm級手性季銨鹽催化的α-亞胺膦酸酯高效不對稱異構(gòu)化反應(yīng)。該金雞納堿衍生的仿生催化劑在對多種α-脂肪族-亞胺膦酸酯異構(gòu)化中展現(xiàn)了與酶相當?shù)拇呋?，其中TON最高超過百萬。理論計算和機理實驗研究揭示了這種小分子催化劑實現(xiàn)媲美酶效率的機制，并發(fā)現(xiàn)其遵循了酶催化的基本原理。就催化效率、機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 中國科學報）

新催化劑能使氫氣和化肥

同步產(chǎn)出

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

此前，生產(chǎn)氫氣和生產(chǎn)肥料分屬于不同的化學過程。研究人員解釋說，氫氣的生產(chǎn)通常是通過電解水實現(xiàn)的，而為了實現(xiàn)可持續(xù)性，這個過程需要依賴可再生能源。此外，氫氣的運輸方式主要有液態(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變成液體，因此其運輸難度相對較大。替代方案是在生產(chǎn)現(xiàn)場將氫氣轉(zhuǎn)化為氨（NH3），因為氨在-33℃時即可液化，而且其能量密度高，更便于運輸。使用時，科學家通過反向哈伯-博施反應(yīng)，將氨轉(zhuǎn)化為氮氣和氫氣。

由于氮氣的化學鍵非常牢固，所以氨很容易轉(zhuǎn)化為氮氣，卻很難轉(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)過實驗，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，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，而且這一過程中氫氣產(chǎn)量會加倍。亞硝酸鹽可以進一步加工成肥料。

該研究首次證明這兩個化學過程可以在實驗室規(guī)模上結(jié)合使用，但要實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，還有很長的路要走。

（2024年7月18日 劉霞 科技日報）

云南天文臺探測到超新星激波

突破信號

科技日報2024年7月23日報道，從中國科學院云南天文臺獲悉，該臺研究員張居甲領(lǐng)銜的國際合作團隊，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于超新星激波爆發(fā)物理機制的認識，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)表在國際期刊《天體物理學雜志快報》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制提供寶貴的線索。通常，激波突破發(fā)生的時間非常短暫，僅持續(xù)幾秒鐘或幾分鐘，因此極難被探測到。

“超新星SN 2024ggi的爆發(fā)給我們提供了難得的機會！”張居甲介紹，這顆超新星位于NGC3621星系，距離地球約2 000萬光年。研究團隊利用云南天文臺麗江2.4米望遠鏡、歐洲南方天文臺10米甚大望遠鏡、意大利伽利略國家天文臺3.6米望遠鏡等先進天文設(shè)備，在爆炸最初的幾十小時內(nèi)交替進行高頻光譜監(jiān)測，成功捕捉到激波突破信號，揭示了復(fù)雜的激波傳播過程。

在爆發(fā)后的13.9至16.2小時內(nèi)，研究人員通過麗江2.4米望遠鏡的四次光譜觀測，發(fā)現(xiàn)被激波激化的星周物質(zhì)維持在相對較低的電離狀態(tài)。然而，幾個小時后，這些物質(zhì)便達到了相當高的電離狀態(tài)，這說明激波為星周物質(zhì)注入了大量的能量，并逐漸突破其阻礙。基于所觀測的信號，研究人員精確計算出激波突破的時間和區(qū)域，并對星周物質(zhì)的密度及分布作了科學的測算。

通過捕獲這顆超新星激波突破信號，研究團隊得以探究其前身星在最后階段的演化，為揭開恒星死亡之謎提供了寶貴的數(shù)據(jù)。這項研究不僅有助于天文學界更好地理解超新星爆發(fā)的初期過程，以及激波在非對稱的星周物質(zhì)中傳播的特性，還進一步提升了人們對恒星演化和超新星爆發(fā)事件的整體認識。

（2024年7月24日 趙漢斌 科技日報）

無溶劑干電極可提高

鋰離子電池性能

科技日報2024年7月23日報道，韓國蔚山國家科學技術(shù)研究所的研究團隊在開發(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。新工藝無需使用有害溶劑，可提高電池性能并促進可持續(xù)性。研究結(jié)果發(fā)表在最新一期《化學工程雜志》上。

研究團隊推出的一種新型無溶劑干電極工藝，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階段：造粒、成膜、壓延、疊層。該團隊通過評估每個階段半成品的物理、電氣和電化學性能來優(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)提供可擴展且實用的解決方案，從而有助于商業(yè)化。他們相信，這一研究有望為環(huán)保、高效的能源存儲電極制造開辟新道路。

（2024年7月23日 張佳欣 科技日報）

機器學習提升天氣與氣候

預(yù)測準確度

中國科學報2024年7月23日報道，谷歌研究公司的Stephan Hoyer與合作者開發(fā)了一個機器學習模型，能進行準確的天氣預(yù)測和氣候模擬。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程，是天氣和氣候預(yù)測的基礎(chǔ)。減少長期預(yù)報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。機器學習模型一直被認為是天氣預(yù)測的一種替代手段，且具有節(jié)省算力成本的優(yōu)勢，但它們在長期預(yù)報的表現(xiàn)常常不如一般環(huán)流模型。

Hoyer等人設(shè)計的模型結(jié)合了機器學習和物理方法，能進行中短期天氣預(yù)報以及幾十年的氣候模擬。該模型對1至15天預(yù)報的準確率能媲美歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF，最好的傳統(tǒng)物理天氣模型之一）的預(yù)測結(jié)果。對于最多提前10天的預(yù)報，NeuralGCM的準確率與現(xiàn)有機器學習技術(shù)不相上下，有時甚至更好。

NeuralGCM的氣候模擬準確率與最好的機器學習和物理方法相當。當研究者在NeuralGCM的40年氣候預(yù)測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)的全球變暖趨勢一致。NeuralGCM 在預(yù)測龍卷風及其軌跡方面也超過了已有的氣候模型。這些結(jié)果表明，機器學習是提升一般環(huán)流模型的一個可行手段。

（2024年5月18日 史俊斌 科技日報）