保持“闯”的劲头
激发“创”的智慧
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日月其迈，东大以实干凝聚力量
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01
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近日，东北大学冶金学院的姜周华教授团队在提升不锈钢耐蚀性的创新设计方面获得了重要的进展。相关的成果“for of by with”被发表在了《自然·通讯》（ ）这份刊物上。论文的作者有张树才、冯浩、李花兵、姜周华、张涛、朱红春、蔺岳、张伟、李国平。其中，排在首位的作者是冶金学院的讲师张树才，负责通讯的作者是冶金学院的李花兵教授。东北大学冶金学院是第一个完成单位，东北大学材料科学与工程学院的张涛教授、张伟博士以及李国平教授级高工是合作完成人。
钢铁材料的腐蚀失效会引发灾难性安全事故，也会带来巨大的经济损失。为了满足基础设施和装备对长寿命的需求，一系列高耐蚀不锈钢被相继开发出来。然而，随着服役环境变得越来越苛刻，这些不锈钢依然会发生腐蚀。非金属夹杂物是腐蚀的主要诱因之一。它通常会带来严重影响，就像“千里之堤，溃于蚁穴”那样。在高温、高氯等极端苛刻的环境里，其危害格外突出。对此，科研人员探索了许多方法来减轻夹杂物的危害，比如进行深脱氧、深脱硫以及改性处理等。然而，这些方法的效果并不理想，夹杂物或者其周围的基体依然会发生腐蚀。因此，怎样才能有效避免夹杂物导致的腐蚀失效呢？这在钢铁材料腐蚀防护领域成为了亟待解决的挑战。 怎样有效防止夹杂物引发的腐蚀失效，这是钢铁材料腐蚀防护领域迫在眉睫的事情。 如何有效地防止夹杂物所引起的腐蚀失效，成为了钢铁材料腐蚀防护领域当下急需应对的挑战。
该项研究突破了传统的思维局限，传统思维局限是依靠洁净度控制和改性处理来减轻夹杂物的危害。该项研究创新地提出了一个策略，即利用耐蚀铌铠甲（Z 相）去包裹有害夹杂物，以此来显著提高双相不锈钢的耐蚀性。该策略巧妙地运用了微合金化和异质形核原理，达成了两个关键目标的控制。一个目标是含铌 Z 相能够有效包裹夹杂物（图 1），另一个目标是 Z 相以及其周围的基体具有良好的耐蚀性（图 2）。
图 1 展示了双相不锈钢中含铌的 Z 相包裹夹杂物，即“夹杂物@Z 相”的核壳结构，并对其进行了表征。
图 2 展示了含铌的双相不锈钢与无铌的双相不锈钢在 72℃的两倍浓度海水中（a-c）以及在 50℃的 6%FeCl3 溶液中（d-g）的耐腐蚀性能对比。
本研究采取独特的方法，巧妙地实施策略，借助耐蚀的“铌铠甲”（Z 相）来包裹有害夹杂物，成功攻克了“夹杂物导致腐蚀失效”这一长期难以攻克的难题，在一系列双相不锈钢（如、、、、）以及工业化生产中都具有很强的普遍适用性（见图 3）。该研究为不锈钢材料的腐蚀防护提供了新的思考路径，对保障高端装备的长寿命以及安全稳定运行有着重要的意义。
图 3 对含铌 Z 相包裹夹杂物改善耐蚀性策略的普适性进行验证。在（b - d）腐蚀环境中，该腐蚀环境为 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 发表最新研究成果
近日，东北大学材料科学与工程学院的王福会团队中，徐大可教授等人在金属腐蚀防护领域，利用活体功能微生物被膜材料取得了重要进展。该研究成果以“带有金属的某种东西用于某种防护在某种方面”为题发表在了某刊物上。论文的第一作者是李中副教授，通讯作者是徐大可教授和生命科学与健康学院的范永强教授。合作者有澳大利亚大学的 Jiang 副教授，同时还有美国 Ohio 大学的 Gu 教授。
金属材料因腐蚀失效而造成的经济损失，在各国每年的国民生产总值中约占 3.5%。传统的腐蚀防护手段包含涂层、表面处理、耐蚀材料、缓蚀剂、电化学防护等。这些技术各自有其优势，然而依然存在诸多本身固有的缺陷与不足，像环境污染较大、能耗较高、维护成本高等情况。绿色、高效且廉价的腐蚀防护理念与技术，是当今社会发展所迫切需要的，也是人们所期望的美好愿景。活体微生物被膜用于金属腐蚀防护，具有成本低这一优势；具有绿色环保这一优势；具有适用范围广这一优势；具有遗传操作性强这一优势。
近年来，研究人员通过对生物被膜进行表面修饰，对其信号通路进行调控，以及与无机材料进行组装等方式，开发出了多种具有不同功能的活体生物被膜材料，这些功能包括环境修复、医疗应用、生物催化、水下粘附等。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。
论文以大肠杆菌当作底盘菌株，利用分子生物学技术对其基因组展开改造，以此增强它的生物被膜形成能力。同时，通过合成生物学技术把源于铜绿假单胞菌的金属结合域（metal ）展示在活体大肠杆菌的淀粉样纤维蛋白表面，进而构建出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使得 X70 碳钢的耐腐蚀性能得到了提高。活体微生物被膜在模拟海水中浸泡后，在 X70 表面诱导形成了以方解石为主的矿化层，此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）降低至 0.5±0.1 μA cm–2（矿化的生物被膜包裹），腐蚀抑制率为 90.2%。该活体工程生物被膜对 304 不锈钢有良好的防腐效果。 该活体工程生物被膜在 304 不锈钢上能起到良好的防腐作用。 304 不锈钢能被该活体工程生物被膜良好地防腐。
上述结果显示，工程生物膜在金属腐蚀防护方面有广泛的应用前景。合成生物学的应用给水环境金属腐蚀防护技术的发展带来了新的途径。
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，活体功能材料是一种新型功能材料，它能将生物的生命行为赋予物质载体。这种材料属于生物和材料科学交叉的研究领域，在国内该研究方向才刚刚开始。通过融合材料科学与微生物学的技术手段，进行全局设计，实现了智能合成微生物被膜的特定功能与应用，这具有重要的现实意义。活体功能材料会成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。它会围绕“四个面向”，把学科方向发展布局做好。
03
东北大学的赵宇海教授团队取得了最新的研究成果，该成果被人工智能领域的顶级会议录用了。
近日，东北大学计算机科学与工程学院的赵宇海教授团队在多标签学习领域获得了最新的研究成果。论文名为“- Multi-Label with Noise”，该论文被人工智能领域的顶级国际会议 AAAI 2024（AAAI on ）以长文形式录用。
AAAI 是被 CCF 推荐的 A 类国际学术会议，在人工智能领域有着极高的学术声誉。此次会议一共收到了 9862 篇投稿，最终录用了 2342 篇，录用率大约为 23.75%。该项研究成果的取得，意味着计算机科学与工程学院的学者在人工智能领域有了较大的进展。他们的研究水平和能力得到了国内外同行的广泛认可。这有效提升了我校在相关领域的学术影响力和贡献度。同时，也为今后我校学者与国际顶尖学者的交流互动奠定了良好的基础。
团队成员王业江博士是论文的第一作者。东北大学与新加坡理工大学的研究人员共同完成了这项研究成果。该论文创新性地提出了一种方法，这种方法依赖噪声且是有限监督的多标签学习方法，其着眼点在于解决多标签分类模型训练中存在的标签噪声问题。该方法相较于先前的研究，考虑到了标签噪声与输入特征和类标签相关的实际状况。它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全新的解决方案。并且，它还引入了流形约束来对问题进行正则化，以此保持局部关系并揭示数据的流形结构。这一综合的方法从理论层面出发，通过设定噪声恢复误差的上界，从而为解决实际问题奠定了坚实的理论基础。最终的实验证明显示钢材属于金属材料么，该方法在处理标签噪声时展现出了极为卓越的性能，为多标签学习领域的发展做出了一项具有创新性且具备实际应用价值的贡献。
04
东北大学的毛羽鹏副教授带领的团队在国际著名期刊上呈现出了最新的研究成果。
近日，毛羽鹏副教授的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了突破进展。相关研究成果以“Deep--neck self--”为题，在国际著名期刊上发表。体育部 2021 级硕士研究生孙丰鑫是论文的第一作者，毛羽鹏副教授是通讯作者，东北大学是第一单位和通讯单位。
在人工智能和物联网的新时代里，智能体育的大数据收集与分析对于监测人类健康有着重要的意义。可穿戴的电子产品集成了先进的传感器以及数据分析算法，能够实时地对人体的健康状况进行分析，还可以准确地跟踪并记录人体的活动，从而为个性化的健康监测以及运动训练提供了前所未有的机遇。需要指出的是，传统电池供电设备有其局限性。这一局限性限制了可穿戴电子产品在运动监测领域的应用。比如，频繁更换电池或者给电池充电，还有废弃电池等情况，不仅会造成环境污染，而且也不利于实时监测运动过程。
本工作以天然生物可降解的生物质材料玉米苞叶当作介电层，将摩擦电纳米发电技术与之相结合，开发出了一种自供电的生物可降解摩擦电传感器。此研究避免了因焚烧玉米苞叶而导致的环境污染问题，达成了对人体机械能的收集，并且还实现了对人体运动的智能化监测。
图器件制造及结构表征
团队为了达成对运动中颈部稳定性的监测以及日常生活中颈部疾病的预防这一目标，把三个相同的 NB-TENG 传感器和弹性可拉伸的纺织品进行了集成，从而得到了可穿戴颈部状态监测传感器（NCM-TS）。团队将 NCM-TS 与深度学习模型相融合钢材属于金属材料么，构建出了一个智能行为监测系统，此系统能够识别出四种类型的颈部运动，并且平均准确率达到了 94%。本研究开发的颈部运动监测传感器具有广泛的应用潜力。它可用于智能体育大数据的收集，能在运动监测领域发挥作用，还可用于康复训练，并且在医疗保健方面也能有所作为。
图 集成深度学习辅助数据分析的智能行为监测系统
05
东北大学的李犁教授团队在锂金属电池的金属负极方面取得了重要的研究成果。 东北大学的李犁教授团队在锂金属电池的金属负极领域获得了重要的研究进展。 李犁教授所在的东北大学团队在锂金属电池金属负极领域取得了重要研究进展。 东北大学李犁教授带领的团队在锂金属电池金属负极领域取得了重要研究进展。 东北大学的李犁教授及其团队在锂金属电池金属负极领域取得了重要研究进展。
近日，东北大学的李犁教授团队在锂金属电池的金属负极方面取得了重要的成果。相关的成果“一种基于 A 的用于高金属的……”发表在了国际顶级期刊《美国科学院院刊》（PNAS）上。东北大学是该论文的第一作者单位。东北大学理学院的博士研究生邸栓龙是共同第一作者之一。东北大学冶金学院的博士研究生李宏观也是共同第一作者之一。
锂金属电池的能量密度更高，在新一代电化学储能领域有着广阔的应用前景。金属锂作为电池负极，其理论容量较高。然而，在循环过程中，不均匀的沉积容易发展成枝晶形式的生长，这导致其稳定性较差，同时也带来了一定的安全隐患，这些因素制约了锂金属电池的发展。
使用高结晶度的氮化碳作为隔膜修饰层，可抑制锂枝晶的生长。高结晶度氮化碳具有扩展的共轭结构，这种结构使电子更容易迁移。结构中的氯离子以及高含量的吡咯氮，增强了与锂离子间的相互作用。实验结果显示，高结晶度的氮化碳修饰层能够均匀化离子通量，实现了锂的均匀沉积，进而提升了对称电池和 Li//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
该工作对氮化碳材料进行了调控，采用的是结晶度工程。通过这一调控，氮化碳基材料在先进电池体系的应用得以拓展。同时，这也为锂金属电池功能化隔膜的设计提供了新的见解。
06
稀土磁性材料课题组在Small发表新成果
近日，稀土磁性材料课题组在 Small 期刊发表了研究论文。论文的题目为“In-Plane (Mo2/3R1/3)2AlB2(R = Tb, Dy, Ho, Er, Tm and Lu)i-MAB 以及它们的 Two-(MBene)”。东北大学是第一通讯单位。材料科学与工程学院的博士研究生种禾是第一作者。崔伟斌教授是通讯作者。
新能源开发利用将成为未来能源发展的主流，风能、水能、核能等能源技术已得到普遍应用。能量存储是不可避免的课题，超级电容器是新型的能量存储与转化装置，它具有较高的能量密度，功率密度也很高，能在能源紧缺时代解决不断增长的能源需求。以MXene为代表的二维材料，在新能源领域中有广泛的应用。
MXene 是一种通过拓扑化学法从 MAX 相中刻蚀出来的二维过渡金属碳/氮化物。它继承了 MAX 相前驱体较为单一的六次对称结构。它具有比表面积大的特点。它具有化学组成丰富的特点。它具有表面官能团多样可调的特点。在能量存储转化等领域，它具有极大的应用潜力。MAX 相主要结晶于 P63/mmc 六方空间群，而 MAB 相得益于硼元素的欠电子特性，往往具有丰富的晶体结构，比如 Cmcm、Cmmm、Immm、Pmmm 等。它展现出的前景类似于 MAX 相，能够被化学剥离为二维 MXene，这吸引着研究者的目光。因此，开发新的可二维化的 MAB 相前驱体，对于其二维衍生物 MBene 的应用具有重要意义。
该研究合成了一系列层状硼化物(Mo2/3R1/3)2AlB2，其中 R 分别为 Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu，并且对这些层状硼化物进行了表征，这些层状硼化物属于 i-MAB 相。Mo2/3R1/3 2AlB2 晶体具有 R-3m 六方结构。在该晶体中，Mo 原子与稀土 R 原子在 Mo-R 层内是有序交替排列的。并且，R 原子处于 Mo 原子正六边形的中心位置，同时还略微突出 Mo-R 层向 Al 层延伸（图 1）。
图 1 包含(a) (Mo2/3Ho1/3)2AlB2 的 XRD 精修图谱，还有(b) (Mo2/3Ho1/3)2AlB2 的晶胞参数对比；(Mo2/3Ho1/3)2AlB2 分别沿着(c)[100]轴、(d)[-110]轴、(e)[001]轴的 STEM-HAADF 以及选区电子衍射图像
稀土原子 4f 电子存在自旋相互作用。(Mo2/3R1/3)2AlB2 化合物在低温环境下会展现出特定现象，即外场能诱导其磁矩发生翻转。同时，随着磁晶各向异性场逐渐变弱，从 R = Tb 到 Tm 这个过程中，磁矩翻转所需要的临界场也在逐渐减小，这一情况在图 2 中有所体现。
图 2 中，(Mo2/3Ho1/3)2AlB2 且 R 分别为 (a)Tb、(b)Dy、(c)Ho、(d)Er、(e)Tm 时在 0.1T 外场下的热曲线；(Mo2/3Ho1/3)2AlB2 且 R 分别为 (f)Tb、(g)Dy、(h)Ho、(i)Er、(j)Tm 时在不同温度下的等温曲线；(Mo2/3Ho1/3)2AlB2 且 R 分别为 (k)Tb、(l)Dy、(m)Ho、(n)Er、(o)Tm 时 4K 等温曲线对应的 dM/dμ0H 曲线
通过拓扑化学法将（Mo2/3R1/3）2AlB2 中的 Al 原子层和 R 原子进行选择性刻蚀，能够得到具有 R 有序空位的物质，并且这种物质能保持（Mo2/3R1/3）2AlB2 母相的六次对称，它就是二维衍生物 MBene（图 3）。经过 773K 的氮化处理，它依然保持着六次对称和层状结构。与原始的 MBene 相比，它的电荷转移电阻显著减小，质量比电容大幅提升到 219F/g（在 2mV/s 的扫描速率下）。这是因为层间插层离子发生了分解脱嵌，并且引入了 Mo-N 键。将氮化温度进一步提升到 973 K 后，MBene 能够转变为结晶性不太好的晶态 Mo2N 纳米片，这种晶态 Mo2N 纳米片在 2mV/s 的扫描速率下的质量比电容为 229F/g（如图 4 所示）。
图 3 展示了 MBene 的 STEM-HAADF 图像，同时还有相应的快速傅里叶变换（如插图所示）
图 4 中，MBene@Ho 的 CV 曲线、MBene@Ho - N573K 的 CV 曲线、MBene@Ho - N773K 的 CV 曲线、MBene@Ho - N973K 的 CV 曲线，均是在 50mV/s 扫速下的；MBene@Ho 的质量比电容、MBene@Ho - N573K 的质量比电容、MBene@Ho - N773K 的质量比电容、MBene@Ho - N973K 的质量比电容；还有一张图；MBene@Ho - N973K 的 b 值拟合结果。
该研究拓宽了纳米层状硼化物体系中稀土的有序占位。对该体系的晶体结构与磁性进行了探索。通过拓扑化学法刻蚀，把稀土元素和二维储能体系结合起来，从而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的伊廷锋教授团队在可充电锌—空气电池的氧电催化剂领域取得了重要的突破。
近日，东北大学秦皇岛分校资源与材料学院的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了重要进展。他们的研究成果“Self- 3D N/P/S- with as high- Zn-air”（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）发表在了材料领域的国际著名刊物上。秦皇岛分校材料科学与工程专业的常慧是本文的第一作者，伊廷锋教授以及四川大学的张千玉副教授是论文的通讯作者，东北大学是第一完成单位。
可充电锌—空气电池（ZAB）具备理论能量密度高的优点，成本较低，资源丰富且环境友好，是一种具有发展前景的新型电动汽车储能装置。空气电极对于决定电池性能起着关键作用，而空气电极上缓慢的氧还原反应（ORR）以及氧析出反应（OER），是致使电池性能降低的关键因素。ZABs 的商业化受限于传统催化剂的高成本，其中包括用于 ORR 的 Pt 基催化剂以及用于 OER 的 RuO2/IrO2 催化剂。所以，开发成本低、活性高且稳定性好的非贵金属氧电催化剂成为了一种趋势。其中，三维结构能够降低催化剂内部气体与电解质之间的扩散阻力。三维结构还可以扩大活性位点与反应物之间的接触。通过这些作用，能够更大程度地发挥催化剂的性能。
金属有机框架是一种优良的前驱体。因为它能与有机配体桥接的金属节点复合，从而提供催化所需的过渡金属、碳和杂原子。并且它还具有可控的周期性。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在催化反应中被广泛应用。通过控制 MOF 的形貌和结构来提高样品的电催化活性是常用方法之一。自组装形成三维结构能有效抑制传统纳米片反应过程中的自聚集，可使活性位点有效暴露。不过，三维 MOF 自组装结构的合成需特定有机溶剂（如 DMF、甲醇），这大幅增加了 MOF 的合成成本。所以，通过恰当的自组装方法把 MOF 材料转化为三维多孔材料，以促进电子快速转移很有意义。
此外，催化剂的组成是一个重要的标准。杂原子掺杂策略，如 N/P/S/B 掺杂，以及金属活性位点的协同效应，促进了 ORR 和 OER 过程。杂原子的电负性不同，原子尺寸也有差异，这些差异能够诱导氮掺杂碳材料产生更高的自旋密度和电子离域，进而增强 ORR/OER 活性。
图 Co/SP-NC催化剂的设计及结构模型
该研究团队制备了一种三维氮/磷/硫 - 三掺杂纳米花双功能催化剂(Co/SP - NC)，它具有高度支化的碳纳米管。制备过程中，主要以硫酸铵作为表面活性剂，以次磷酸钠作为还原剂。硫酸铵能驱动二维 Zn/Co - ZIF 自组装成三维纳米花，并且还能提供活性 S 原子。次亚磷酸钠使得三维 Zn/Co-ZIF 纳米花的表面形成了碳纳米管，且这些碳纳米管具有高支化的特点。
此外，第一性原理计算证明了氮、磷、硫的引入能够有效激活水和氧分子。同时，会形成大量的缺陷位点，并且能改变 Co 物种周围的配位环境，使活性中心的数量大幅增加。与此同时，结果显示，适量的 P 掺杂不但可以提升基底的电子导电性，还有助于提升 OER/ORR 过程中的电荷转移。所制备的 Co/SP-NC 电催化剂具备良好的双功能活性，其半波电位为 0.8603V。在 10mA cm⁻²的条件下，该电催化剂的过电位为 343mV。由 Co/SP-NC 组装而成的锌空气电池具有超高的功率密度，达到 187mw cm⁻²。同时，该锌空气电池还具有良好的循环性能，能够持续超过 280h。这项工作为制备三维自组装的纳米花提供了一种方法，这种方法是可控的。它尤其适用于可充电锌 - 空气电池。
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