飛秒激光微納制造領域

高鹽廢水資源化處理研究

數(shù)學非線性分析與偏微分方程領域

鋰離子電池廢舊石墨負極再生領域

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飛秒激光微納制造領域

儀器科學與光電工程學院費業(yè)泰精密工程中心團隊的吳思竹教授、張亞超副教授在微納制造領域取得創(chuàng)新性進展，提出通用的拉伸誘導聚合物自生長（SIPS）方法，成功實現(xiàn)高長徑比微結(jié)構的快速、可逆制備。相關研究成果發(fā)表于國際知名期刊《Nature Communications》。

圖：自生長的機理及微結(jié)構的可逆調(diào)控

傳統(tǒng)聚合物自生長技術普遍存在生長速度慢、結(jié)構長徑比低、材料適配范圍窄以及結(jié)構難以實現(xiàn)可逆調(diào)控等問題，難以滿足微納制造領域的實際應用需求。針對上述瓶頸，研究團隊受自然界動態(tài)非平衡體系的啟發(fā)，將飛秒激光精準刻蝕與彈性薄膜應力調(diào)控相結(jié)合，提出了一種SIPS新方法。該方法通過對彈性薄膜進行預拉伸，并利用飛秒激光局部刻蝕釋放應力，從而驅(qū)動聚合物微結(jié)構自發(fā)生長。基于該策略，成功制備出長徑比高達1.4的微柱結(jié)構，顯著高于此前報道的約0.25。同時，實驗結(jié)果表明微柱高度與拉伸比及刻蝕深度之間存在明確的定量關系，為微結(jié)構的精準設計提供了重要理論依據(jù)。進一步的理論仿真表明，微柱高度主要由預應變釋放所產(chǎn)生的結(jié)構形變所決定，與材料的楊氏模量基本無關。

該方法兼具生長速度快、材料普適性強、結(jié)構可逆性優(yōu)異、設計可編程等優(yōu)勢，還在盲文訓練、信息加解/密、微球操控等場景完成概念驗證，證實了在觸覺界面、信息存儲、微操作等領域的應用潛力。這一成果為高長徑比可逆微結(jié)構的可控制備提供了新的技術方案，為微納制造和自適應表面工程等領域的發(fā)展開辟了新的技術路徑。合肥工業(yè)大學與中國科學技術大學為該論文的共同第一完成單位。張亞超副教授與中國科學技術大學張念為論文共同第一作者，吳思竹教授與中國科學技術大學胡衍雷教授為論文通訊作者。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金等項目的資助，西南科技大學、浙江大學、香港中文大學等單位參與合作完成。

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高鹽廢水資源化處理研究

化學與化工學院冉瑾教授聯(lián)合中國科學技術大學徐銅文院士團隊在高鹽廢水資源化處理研究方面取得重要進展。研究團隊通過在氫鍵有機框架（HOF）膜中構建仿生氯離子通道，成功制備出高性能HOF陰離子篩分膜，為陰離子精準分離技術的發(fā)展提供了新思路。相關研究成果發(fā)表于國際著名學術期刊《Nature Communications》。合肥工業(yè)大學為論文第一通訊單位。

圖1：具有仿生氯離子通道的HOF膜設計

高鹽廢水處理中，Cl?/SO?2?的高效分離是關鍵難題。自然界CLC氯離子通道因超快Cl?滲透速率和優(yōu)異選擇性，為人工離子通道設計提供了藍圖，這得益于其超微孔道的尺寸適應性和化學基團對離子脫水的穩(wěn)定作用。然而，在合成膜材料中精準復現(xiàn)這種結(jié)構仍面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)二維材料、MOFs或COFs雖具可調(diào)孔道，卻難以模擬生物系統(tǒng)動態(tài)的尺寸適應性和化學微環(huán)境調(diào)控能力。

圖2：HOF膜的陰離子轉(zhuǎn)運和篩分機制

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出一種仿生設計策略，通過在HOF膜中構建類似CLC氯離子過濾器的超微孔道結(jié)構，實現(xiàn)對陰離子的尺寸篩分和能量補償。該孔道不僅具有對Cl?的適應性尺寸，還引入了氫鍵供體以提供“低粘度”補償作用，有效降低離子脫水過程中的能量損失。借助Cl?與較大陰離子（如SO?2?）在脫水和能量補償方面的差異，該膜實現(xiàn)了Cl?/SO?2?選擇性超過400，比現(xiàn)有同類膜高出數(shù)十倍；同時Cl?滲透速率是商用Neosepta? ACS膜的兩倍。在處理高鹽廢水的電滲析應用中，該膜實現(xiàn)了更高的NaCl產(chǎn)品純度（99.62wt%對比72.86wt%）且能耗比Neosepta? ACS膜低28.7%。這一研究不僅展現(xiàn)了氫鍵有機框架作為人工離子通道構建平臺的潛力，也通過仿生微環(huán)境工程設計，為新一代分離膜的開發(fā)提供了重要范式。

圖3：高鹽廢水資源化的電滲析示范

上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目支持，得到了合肥工業(yè)大學高性能計算平臺和分析測試中心的支持。

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數(shù)學非線性分析與偏微分方程領域

數(shù)學學院羅肖副教授等在數(shù)學非線性分析與偏微分方程領域研究取得新進展，研究成果在國際高水平綜合類數(shù)學期刊Mathematische Annalen上發(fā)表。

該論文研究了等離子體中拉曼放大現(xiàn)象所對應的三波相互作用非線性薛定諤方程組的駐波問題。研究團隊通過引入恰當?shù)牟坏仁郊s束，克服了三波相互作用導致的能量泛函結(jié)構不定帶來的困難，證明了基態(tài)的存在性并刻畫了其質(zhì)量坍縮行為。此外還證明了基態(tài)集合在相關柯西流下的穩(wěn)定性，并構建了一個對應于強不穩(wěn)定駐波的激發(fā)態(tài)，同時精確刻畫了該激發(fā)態(tài)的半平凡極限行為。通過精細控制激發(fā)態(tài)的能量，論文給出了證明相應柯西問題解的全局存在性或有限時間爆破的充分條件。

本項研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、安徽省自然科學基金面上項目和合肥工業(yè)大學學術人才自主創(chuàng)新項目的共同資助。

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鋰離子電池廢舊石墨負極再生領域

材料學院宋曉輝副教授團隊在廢舊鋰離子電池石墨陽極再生領域取得重要進展 。研究利用創(chuàng)新的“一鍋法”焦耳加熱（One-pot Joule heating）技術，成功在廢舊石墨表面原位構建了穩(wěn)定的人造固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）層，并生成硫化亞鐵（FeS）納米顆粒。相關成果發(fā)表在國際知名能源材料期刊《Energy Storage Materials》上，合肥工業(yè)大學為第一通訊單位。

圖1：利用焦耳加熱技術原位再生快充石墨的工作流程與再生機制示意圖

廢舊石墨（SG）負極材料的回收對于實現(xiàn)“碳中和”目標至關重要。然而，當前的回收方法面臨能耗高、環(huán)境污染嚴重，以及再生石墨（RG）在電池循環(huán)中容易出現(xiàn)性能衰減等挑戰(zhàn)。針對這一難題，研究團隊引入焦耳加熱策略，以硫（S）為中間橋梁，利用極熱過程在石墨表面接枝磷（P），形成了獨特的C-S-P鍵 。同時，該過程將廢舊陽極上殘留的雜質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為FeS納米顆粒與無定形的Li3PO4涂層。

研究發(fā)現(xiàn)，這種精妙的結(jié)構設計在電池循環(huán)過程中，促進了富含Li3P的高效SEI層的原位生成。原位拉曼光譜（In-situ Raman）及多種表征證實，該SEI層極大增強了鋰離子傳輸通道，賦予了材料優(yōu)異的快充性能與結(jié)構穩(wěn)定性。電化學性能測試表明，再生石墨在3C的高倍率下循環(huán)3000次后，仍能提供101mAh·g-1的比容量，較商業(yè)石墨（CG）提升了近2.5倍。全電池和軟包電池測試同樣展現(xiàn)出卓越的工程化應用潛力。

此外，技術經(jīng)濟綜合分析顯示，該方法再生1kg廢舊石墨僅耗能15.38MJ、成本低至5.79美元，大幅優(yōu)于傳統(tǒng)高耗能回收工藝，且過程綠色環(huán)保。該研究不僅為廢舊石墨的高附加值回收提供了切實可行的解決方案，還前瞻性地探討了廢舊石墨再生閉環(huán)生命周期與人工智能（AI）融合以推動工業(yè)發(fā)展的廣闊前景。

圖2：電化學性能圖

本研究獲得了合肥工業(yè)大學人才啟動計劃、中央高校基本科研業(yè)務費、國家自然科學基金、安徽省重點研發(fā)計劃及安徽省自然科學基金等項目的支持。同時，獲得了合肥原位科技有限公司在焦耳熱實驗設計方面的支持。

來源 | 儀器科學與光電工程學院 化學與化工學院

數(shù)學學院 材料科學與工程學院

封圖 | 呂昊波

編輯 | 張卿豪 岳明星

責編 | 衛(wèi)婷婷 楊樂丁

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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