科研SHU递：理科篇｜第十六期- 大数跨境

环上大科技园

2026-09-30

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近日，上海大学材料科学与工程学院高彦峰教授团队与中国科学院青海盐湖研究所合作在高比容量锰基液流电池的研究中取得了重要进展，研究成果以“Breaking the Specific Capacity Limit: 409% Boost in Manganese-Based Redox Flow Batteries at High Current Densities with a MnO2Semi-Solid Slurry Electrolyte”为题发表在材料科学研究的顶刊《Nano-Micro Letters》（影响因子38.5）。材料学院博士生刘鑫和陈长副教授为论文共同第一作者，高彦峰教授、丁常胜教授、崔苑苑副教授为论文的通讯作者，中国科学院青海盐湖研究所冯海涛研究员为论文合作作者。

电解质由活性物质与支持电解质组成，是液流电池（RFBs）中的关键组分，直接决定比容量。要实现高比容量，需使活性物质的浓度接近饱和度与溶解度极限。然而，由于硫酸根的同离子效应，导致电解液中活性锰物质的浓度较低（≤ 1M）。另一种提升比容量并降低成本的潜在策略是利用廉价的固体活性材料作为RFB的半固态或悬浮电解质。采用固液双相体系的半固态电解质，能够从根本上突破活性材料溶解度的限制，实现“无限溶解性”，从而推动高比容量RFB的发展。然而，尽管引入了炭黑、多壁碳纳米管等导电添加剂，固相反应动力学仍较缓慢，持续制约着电化学反应速率，导致工作电流密度偏低（≤ 1 mA cm-2）。因此，有必要开发新的策略，以有效提升基于锰基RFB的比容量，同时在高电流密度下实现稳定运行。

在本工作中，团队利用低成本 MnO2作为“固体容量库”，其放电过程中转化为Mn2+，第二圈后电解MnO2进一步通过逆歧化反应激活Mn3+/Mn2+液相反应。通过这种设计可以使电池正极比容量从初始38提升到156 Ah L-1Catholyte，且在30-40 mA cm-2电流密度下仍能正常充放电，同时电解液成本仅有33 US$ kWh-2。

图1 电池充放电比容量，与已报告文献电池性能对比

同时研究了其充放电机理，发现在首圈放电过程中，商业MnO2通过MnO2(s)/Mn2+反应溶解。该路径电位较低、界面电荷转移阻力较大，因此出现 <0.4 V 的低压平台。而经过二次充电之后，新生成的电解MnO2结构转变、更疏松，比表面积更大、粒径更小。而这种电解MnO2更容易发生逆歧化反应生成Mn3+，最终电化学反应转为 Mn3+/Mn2+。更高电位与更快动力学支撑电池在30 mA cm-2电流密度下稳定运行。本研究提出了一种新颖的低成本半固态电解液策略，有效提高Mn-RFBs电池的比容量，并具有优异的循环稳定性。这一策略同样可以扩展到其它RFBs系统，实现高比容量的应用。

图2 电化学机理分析研究

该研究得到了国家自然科学基金（52372088）的资助。同时该研究由上海大学和中国科学院青海盐湖研究所共同完成。上海大学和中国科学院青海盐湖研究所围绕能源储存、能源回收、盐湖提取等问题，开展了一系列合作研究，研究成果包括Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2509495、Energy & Environmental Materials 2026, 0, e70200、J. Energy Storage 179 (2026) 123921、Electrochimica Acta 573 (2026) 149301、RSC Adv., 2026, 16, 1714等，同时本次成果得到了中国科学院青海盐湖研究所自主部署项目（E260GC0401）的大力支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02349-8

近日，理学院化学系钱汇东、赵宏滨研究团队在能源领域顶级期刊《ACS Energy Letters》上发表题为“Triptycene Branched Poly(Isatin-Biphenylene) Electrolytes for Bipolar Membrane Water Electrolyzers”的研究论文。氢能作为一种清洁、高效的二次能源，在可再生能源存储与转化及能源结构转型中具有重要作用。水电解是制取绿色氢气的重要途径，其中，双极膜水电解可利用双极膜界面的水解离过程，在膜两侧构建不同的酸碱反应环境，从而实现电极反应条件的独立调控，为高效、灵活的水电解制氢提供了新的技术路径。双极膜通常由阴、阳离子交换层复合而成，然而两层材料在离子传输、吸水和溶胀行为等方面存在差异，容易引发界面相容性不足及长期稳定性下降。而离子交换膜的高传输性能与尺寸稳定性之间往往存在一定制约关系。如何兼顾水和离子的高效传输、膜结构稳定性以及双层界面相容性，仍是高性能双极膜材料发展面临的重要挑战。

研究团队提出一种基于三蝶烯（triptycene）支化结构调控聚合物自由体积和传输通道的新策略。以相同的聚（联苯-靛红）主链为基础，分别构建阴、阳离子聚合物PIB-QA和PIB-BS，并通过引入刚性三维三蝶烯结构制备支化离聚物PIB-QA-5%和PIB-BS-5%，进一步构筑支化双极膜PIB-Trip5%。三蝶烯结构能够扰乱聚合物链的紧密堆积，增加自由体积并促进连续离子传输通道形成。原子力显微镜（AFM）和分子动力学模拟表明，支化后膜内亲水区域和自由体积均明显增加；脉冲场梯度核磁共振（PFG-NMR）进一步证实其水和离子扩散能力得到显著提升。与此同时，支化结构在提高离子电导率和水吸收能力的同时，仍保持较低溶胀率和良好的尺寸稳定性，其中PIB-BS-5%和PIB-QA-5%在80 ℃下的离子电导率分别达到180.1和143.8 mS cm-1。

在双极膜构筑及电解性能方面，该团队采用超声喷涂技术，在阴、阳离子交换层之间原位构建纳米SnO2催化中间层，从而形成界面结合紧密的双极膜结构。PIB-Trip5%的欧姆电阻和水解离电阻分别降低至0.19和0.37 Ω cm2，水解离速率常数达到1.86 s-1。在60 ℃纯水电解中，其在2.00 V下实现0.70 A cm-2的电流密度；在非对称酸碱电解体系中，2.00 V下电流密度进一步达到1.50 A cm-2。采用非贵金属NiFeOx和NiFeCo电极时，PIB-Trip5%在1.0 M KOH阳极液/纯水阴极液条件下仍可实现1.40 A cm-2，而商业FumaTech双极膜仅为0.18 A cm-2。即使将膜厚增至相近的140 μm，其性能仍明显优于商业膜。长期运行测试表明，PIB-Trip5%在60 ℃、0.50 A cm-2下连续运行200 h，电压衰减速率仅为0.87 mV h-1，且膜结构保持完整。该研究表明，三蝶烯支化结构能够实现自由体积、离子传输、尺寸稳定性及层间界面的协同优化，为高性能、长寿命双极膜材料的设计及其在绿色氢能领域的应用提供了新的思路。

上海大学硕士研究生姚欣昀为第一作者，导师钱汇东教授、赵宏滨教授为论文共同通讯作者，上海大学理学院化学系为唯一完成单位。本研究得到了国家自然科学基金（22279157）经费的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01498

近日，上海大学环化学院2026届毕业研究生王康博士在《Advanced Functional Materials》上发表题为“Functional Group-RegulatedInterfacial Electronic Coupling Enables Efficient Oxygen Evolution on Nickel Catalysts”的研究论文。

论文提出了一种基于共轭效应的界面电子耦合调控策略，实现了对界面电子接触的精准调节，并构建了共轭耦合界面与非连续耦合界面的直接对比体系。结合原位光谱和理论计算的结果表明，增强的界面电子耦合可诱导镍活性中心发生电荷重分布，进而优化电子结构与d带中心位置，加速类γ-NiOOH重构活性物种的形成，显著加快OER反应动力学过程。论文提出的基于官能团调控的界面电子耦合策略具有良好的普适性，为开发高效、低成本的非贵金属电催化剂及推动可持续能源技术发展提供了新的理论依据与设计思路。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.78366

上海大学环化学院2026届博士毕业研究生王康为本文第一作者，王亮研究员和华东理工大学练成教授为共同通讯作者，上海大学为第一完成单位和通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金、上海浦江计划等项目的资助。

此外，在王亮研究员的指导下，王康博士在校期间聚焦于表面官能团工程调控碳量子点及其异质结构的构筑，并将相关材料应用于二氧化碳电催化还原反应领域，有效提升特定碳产物选择性，相关研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition(https://doi.org/10.1002/anie.3749916)和Advanced Functional Materials(https://doi.org/10.1002/adfm.202530561)。

科研感悟：感谢上海大学、环化学院以及王亮老师为我提供了优质的科研平台和宝贵的成长机会。攻读博士学位期间，我始终注重与王老师保持充分沟通与深入交流，在科研思路、实验设计及论文撰写过程中积极开展讨论，科研能力与学术思维得到有效锤炼，受益匪浅。今后我将继续秉持求实创新的科研态度，持续钻研与探索。

近日，上海大学材料科学与工程学院高彦峰教授团队在废旧三元锂离子电池正极材料绿色回收领域取得重要突破。该团队此前在《中国科学：技术科学》上发表了题为“废锂电池中有价金属的绿色回收技术研究进展”的综述论文，系统梳理了该领域的研究进展。在此基础上，研究团队提出了热力学指导的“相预转化”策略，利用废旧电池中的石墨作为原位还原剂，将稳定的三元正极（NCM）精准转化为易浸出的低价氧化物和Li2CO3，破解了深共晶溶剂（DES）直接浸出需高温、高液固比的技术瓶颈，在温和条件下实现了锂、镍、钴、锰的高效回收，其浸出效率分别达96.5%、96.6%、98.3%、99.9%。相关研究成果以“Phase Preconversion Enables Mild Deep Eutectic Solvent Leaching for Efficient Recycling of Spent LiNixCoyMn1−x−yO2Cathodes”为题发表于材料领域权威期刊《Review of Materials Research》，技术经济分析显示净利润9.32 USD·kg−1、温室气体排放仅844 g·kg−1。上海大学为第一单位，博士研究生许金妹为论文第一作者，高彦峰教授为通讯作者，陈宏飞副教授参与指导工作。

图1. 论文首页

随着电动汽车和储能市场的爆发式增长，废旧锂离子电池的回收迫在眉睫。三元正极材料（NCM）因高能量密度成为主流选择，但其稳定的层状结构导致有价金属难以浸出。深共晶溶剂（DES）作为一种绿色溶剂，具有低毒、可生物降解、金属配位能力强等优点，被视为替代传统无机酸的理想选择。然而，直接将DES用于原始NCM浸出时，由于金属-氧键牢固，往往需要高于90 °C的温度和大于20 g·g−1的液固比（L/S），严重制约了其工业应用。如何通过前处理手段主动降低NCM的结构稳定性，使DES能够在温和条件下高效浸出，是该领域亟待解决的关键科学问题。

图2. 不同碳热还原温度下Ni/Co/Mn−Li−C−O体系的反应产物分布计算图

针对这一难题，研究团队没有选择设计更“激进”的溶剂，而是从源头出发，提出“相预转化”策略。通过热力学计算（HSC Chemistry 9.0）系统分析了Ni−Li−C−O、Co−Li−C−O和Mn−Li−C−O体系的优势区图，精准确定了狭窄的还原窗口。研究表明，在650 °C下利用7.5 wt%废旧阳极石墨作为还原剂，可将NCM层状结构彻底分解为Li2CO3、Li2O、NiO、CoO和非晶态MnO，同时将金属相生成量控制在极低水平（Ni 6.65%、Co 7.17%），从而避免了后续酸浸过程中危险H₂的产生。

图3. 废旧NCM碳热还原前后Ni/Co/Mn 2p XPS谱图与价态演变

预转化后的产物结构被彻底破坏，使得后续DES浸出条件大幅温和化。研究团队采用两步法实现金属的选择性回收：首先在5 °C下水浸提锂，锂浸出效率达96.5%，最终以Li2CO3形式回收，回收率为88.2%，纯度约97.5%；随后采用DES体系浸出过渡金属，在仅50 °C、L/S = 8 g·g−1条件下实现了高效浸出。DES浸出过程中，柠檬酸作为质子供体破坏金属-氧晶格，Cl−与释放的金属离子形成稳定的四面体配合物[MCl4]2−，随后可通过草酸沉淀实现金属回收和DES再生。该研究还实现了“以废治废”，利用废旧阳极石墨作为还原剂，避免了商业还原剂的使用，降低了试剂成本，体现了资源循环利用的理念；此外，建立了完整的锂质量平衡，明确了各工序的锂损失分布，为工艺优化提供了定量依据；技术经济分析和生命周期评估进一步证明，该工艺能耗仅20.8  MJ·kg−1，环境效益显著。

图4. 本研究与其他回收方法的经济、能耗与环境综合比较

该工作是上海大学高彦峰教授团队在废旧锂电池绿色回收领域取得的系列研究成果之一。未来，团队将进一步优化DES配方和再生工艺，降低试剂成本，推动该技术向工业化应用迈进，为废旧锂电池的绿色低碳回收和战略金属资源循环利用提供理论支撑与技术储备。

近日，理学院物理系上海市高温超导重点实验室尹鑫茂课题组在国际知名期刊《Nature Communications》上发表题为《Checkerboard-type Zhang-Rice States in Overdoped Cuprate Superconductors》的研究论文。该工作聚焦高温铜氧化物超导机理这一凝聚态物理与量子物态领域的核心科学难题，系统揭示了重过掺杂区域铜氧化物低能电子结构的演化规律，并提出棋盘型Zhang-Rice态新图像，为理解高温超导相图及量子物态演化提供了关键实验与理论依据。上海大学理学院2022级博士生刘熊芳、2024级博士生宁苑杰为该文章的共同第一作者，通讯作者为上海大学尹鑫茂教授，合作者包括上海大学蔡传兵教授、曾志刚副教授、周迪帆副教授。上海大学为第一完成单位和通讯单位。

高温铜氧化物超导体是强关联量子物态研究中最重要、最富挑战性的体系之一，其微观超导机制长期被视为凝聚态物理的“圣杯”问题。传统理论认为，掺杂空穴形成的Zhang-Rice singlet（ZRS）是描述铜氧化物低能电子结构的基石。然而，在超导逐渐消失的重过掺杂区域，ZRS图像是否仍然适用、电子结构如何演化，一直是争议不断的关键问题，也是检验铜氧化物低能有效理论适用边界的“试金石”。

研究团队制备了覆盖x = 0.15–0.60宽掺杂范围的 La2-xSrxCuO4高质量外延薄膜，并综合利用同步辐射X射线吸收谱、椭圆偏振光谱和电输运测量，结合三轨道模型量子蒙特卡洛（DQMC）计算，系统研究了从最佳掺杂到重过掺杂区域的电子结构演化。结果发现，当掺杂超过约x = 0.2后，Zhang-Rice相关电子态出现明显重构，并伴随新的光谱特征和载流子响应变化。基于实验与理论结果，团队进一步提出了棋盘格式 Zhang-Rice电子构型（如图所示）。该成果将铜氧化物低能电子结构描述拓展至重过掺杂区，为理解超导相图中超导消失、正常态演化和量子相变提供了新的微观线索，也为检验t-J模型等低能有效理论在重过掺杂区的适用性提供了重要实验约束。

该成果是尹鑫茂教授团队在高温超导微观机理与量子物态方向取得的重要国际前沿进展，彰显了上海市高温超导重点实验室在前沿基础研究中的持续创新能力。尹鑫茂教授团队立足国家量子科技发展战略与后摩尔时代集成电路产业变革的重大需求，在创新型光谱技术、低维物理量子态与器件化应用等领域持续攻关，取得具有国际影响力的突破，多次在Science子刊、Nature子刊、PRL、AM等顶级期刊发表研究成果，四篇论文入选ESI高被引论文。团队未来将持续致力于在量子新物态、量子功能器件等研究领域实现基础原理与核心器件的源头创新，为国家量子信息领域的自主可控和产业升级贡献力量。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-77985-0

近日，上海大学材料基因组工程研究院杨炯教授、席丽丽副研究员团队在热电材料逆向设计与新材料预测方向取得新进展。相关研究论文“Inverse design of functional materials: a case study in thermoelectrics”已被Nature Portfolio旗下计算材料学领域国际学术期刊《npj Computational Materials》接收。嘉兴大学人工智能学院王向东博士为第一作者，上海大学杨炯教授、席丽丽副研究员为共同通讯作者，上海大学为第一完成单位。

热电材料能够实现热能与电能的直接转换，在余热回收、固态制冷和清洁能源等领域具有重要应用前景。然而，材料的热电性能取决于电输运与热输运性质之间的精细平衡：既要具备良好的导电能力，又要尽可能抑制热量传导。多个性能参数彼此耦合、相互制约，使高性能热电材料的发现成为材料科学中的长期挑战。

近年来，基于材料数据库的高通量计算显著加快了候选材料筛选，但这类方法通常只能在已经合成或已被收录的材料中寻找“优等生”，探索范围仍受现有数据库限制。逆向设计则试图改变这一逻辑：先设定目标性能，再利用算法生成可能满足要求的全新材料。不过，对热电性能这类复杂功能性质而言，如何确保生成结构不仅“新”，还具有稳定性、可计算性和潜在实用价值，始终是走向实际应用的关键难题。

图1 TEID：生成与验证协同的“漏斗式”框架

针对这一问题，研究团队构建了 TEID 框架，将晶体生成式人工智能模型、专业材料数据库与由低到高精度的多层级理论计算验证有机结合，形成一条“生成候选—快速初筛—精确计算—性能验证”的完整技术路线。本研究基于MatHub-3d数据库的热电数据，训练晶体扩散变分自编码器，定向生成6400个候选结构。经去重与组成约束后保留1461个，利用M3GNet和MEGNet筛选出1005个热力学与动力学稳定的候选材料。通过自动化DFT计算进行高精度筛选，最终锁定4种未见报道的稳定化合物，其中Na3CaP3和Si3Cu3AgS6在700 K下预测ZT值分别达1.59和2.24，为中温热电材料研发提供了明确的实验靶标。

此外，国际权威期刊《Nature Reviews Materials》在“Research Highlights（研究亮点）”栏目以“A new funnel for thermoelectric materials discovery（热电材料发现的新漏斗）”为题，专题介绍了上海大学材料基因组工程研究院杨炯教授团队提出的热电材料逆向设计框架（thermoelectric inverse design framework，TEID）。该文由期刊主编 Giulia Pacchioni 撰写。《Nature Reviews Materials》的专题文章指出，该研究将生成模型与日益严格的多层级计算验证相结合，用于评估候选材料的功能性能，是迈向更加系统化发现热电材料及其他能源材料的重要一步。