药物化学中的大分子效应※

药物种类按照分子量来划分可以分为小分子药物(自然提取或化学合成的)和大分子药物(生物制剂). 尽管目前小分子药物仍然是市场的主流, 但其研发增速趋缓, 而大分子药物在药物研发中的地位日渐突显, 并被预期在未来药物市场中占据越来越高的份额. 除了生物制剂大分子药物, 将小分子药物与天然或合成大分子结合制备得到的化学合成大分子药物, 近年来受到药物研究者们越来越多的关注. 由于大分子具有丰富的骨架结构及空间构架, 其所特有的骨架效应、多价效应, 以及通过分子组装而产生的聚集效应和靶向效应等, 能够为药物化学的设计带来更多新的可能. 有鉴于此, 本综述将简略介绍药物化学设计中的大分子效应, 重点讨论合成大分子的骨架效应、多价效应、聚集效应和靶向效应等为药物化学设计所带来的新性能. 通过对药物化学中大分子效应所带来的优势、问题和重要研究进展的探讨, 以期能够推动化学合成大分子药物的发展, 为药物化学设计提供新的思路.     

海水电解面临的挑战与机遇：含氯电化学中先进材料研究进展

氢气是一种清洁高效的能源载体,通过海水电解规模化制备氢气能够为应对全球能源挑战提供新的机遇。然而,缺乏高活性、高选择性和高稳定性的理想电极材料是在腐蚀性海水中连续电解过程的一个巨大挑战。为了缓解这一困境,需要从基础理论和实际应用两方面对材料进行深入研究。近年来,人们围绕电极材料的催化活性、选择性和耐腐蚀性进行了大量的探索。本文重点总结了高选择性和强耐腐蚀性材料的设计合成与作用机制。其中详细介绍了多种电极材料(如多金属氧化物、Ni/Fe/Co基复合材料、氧化锰包覆异质结构等)对氧气生成选择性的研究进展;系统论述了各种材料的抗腐蚀工程研究成果,主要讨论了本征抗腐蚀材料、外防护涂层和原位产生抗腐蚀物种三种情况。此外,提出了海水电解过程中存在的挑战和潜在的机遇。先进纳米材料的设计有望为解决海水电解中的氯化学问题提供新思路。     

石墨烯包覆天然球形石墨作为锂离子电池的负极材料，是否需要乙炔黑导电剂？

我们通过包覆炭化的方法制备得到了石墨烯包覆的天然球形石墨(G/SG)材料,并使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及多种电化学测试手段考察了不同石墨烯含量的复合材料的形貌结构及电化学性能。我们发现,在不添加乙炔黑(AB)的情况下,G/SG复合材料表现出较高的首次库伦效率,很好的循环稳定性和高倍率性能。当石墨烯包覆量为1%时,材料50次循环后的可逆容量可与添加10%AB的天然石墨电极(SG)等同;当石墨烯包覆量为2.5%时,材料的比容量完全高于添加10%AB的石墨电极。材料电化学性能的改善归因于石墨烯的包覆。一方面,石墨烯的柔软可变性可以保证天然石墨颗粒在充放电过程中的结构完整性,从而有效改善材料的循环稳定性;另一方面,石墨烯的存在提高了电极的导电性,促进更好导电网络的形成。因此,石墨烯包覆天然球形石墨材料中,石墨烯不仅是活性物质,也发挥导电剂的作用。当添加5%的乙炔黑时,在50 mA·g^-1电流循环50次后,5%G/SG电极的可逆容量从381.1 mAh·g^-1提高到404.5 mAh·g^-1,在1 A·g^-1电流时可逆容量从82.5 mAh·g^-1提高到101.9 mAh·g^-1,这表明G/SG电极仍然需要乙炔黑导电剂。乙炔黑颗粒填充在复合材料的空隙中,通过点接触的形式连接到G/SG颗粒,与石墨烯协同作用形成了更加有效的导电网络。尽管石墨烯包覆和乙炔黑添加对天然石墨电极具有积极的影响,例如增加了天然石墨电极的导电性和储锂性能(包括可逆容量,倍率性能和循环性能),但随着石墨烯或乙炔黑的增加,电极密度通常会降低。因此,在实际应用中应考虑石墨负极材料的质量和体积容量的平衡。这些结果对天然石墨的进一步商业应用具有重要意义。我们的工作为天然石墨电极在锂电池中的电化学行为提供了一种新的认识,并且有助于制备更高性能的负极材料。     

碱性电解液中K3[Fe(CN)6]在锌阳极上的自发还原和吸附延长锌镍电池的循环寿命

采用K₃[Fe(CN)₆]作为锌镍电池的电解液添加剂,克服了锌阳极的变形。此外,通过一系列实验设计和表征,探索了电解液中金属锌与K₃[Fe(CN)₆]的反应机理。通过XRD (X-ray diffraction)和XPS (X-ray photo-electron spectroscopy)测试,我们发现金属锌在KOH水溶液中能够与K₃[Fe(CN)₆]反应,将[Fe(CN)₆]^3–还原为[Fe(CN)₆]⁴⁻。添加K₃[Fe(CN)₆]的锌镍电池实现了更长的循环寿命,比不添加K₃[Fe(CN)₆]的锌镍电池长3倍以上。在相同循环次数下,改性电解质中锌阳极循环不仅形状变化较小,而且没有出现“死”锌现象,电极添加剂和粘结剂也没有发生偏析。此外,不同于一般的有机添加剂,K₃[Fe(CN)₆]的加入不仅不会增大电极的极化,还能够提高锌镍电池的放电容量和倍率性能。因此,考虑到这一改性策略有着较高的可行性和较低的成本,K₃[Fe(CN)₆]添加剂在锌镍电池的实际应用中具有极大的推广潜力。     

杂质浓度对Zr替位掺杂γ-TiAl合金的结构延性和电子性质的影响

以Zr替代Ti(或Al)掺杂γ-TiAl体系为研究对象, 掺杂浓度(摩尔比)分别为1/54, 1/36, 1/24和1/16. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算研究了Zr掺杂γ-TiAl体系的晶体结构及其稳定性、延性和电子性质等. 结果显示, Zr替位掺杂, 可以改变γ-TiAl基合金的结构对称性. 计算的形成能表明, Zr替代Ti原子会使体系的形成能降低, 而Zr替代Al原子会使体系的形成能增加. 因而, 在掺入γ-TiAl时, Zr更倾向于替代Ti 原子, 但是Zr替代Al原子也具有一定的可能性, 从而会产生多样的掺杂体系, 对于改善合金的性质具有重要意义. 对各个体系轴比的计算与分析表明, 当掺杂浓度为1.85 at%–6.25 at% 时, Zr替代Al原子会使体系的轴比减小、接近于1, 从而改善合金的延性效果明显. 能带结构显示各个Zr掺杂γ-TiAl体系均具有金属导电性. 对电子态密度和布居数的分析表明, Zr替代Al原子后, Zr与其邻近Ti原子的共价键结合强度大为降低, 导致合金体系中的Ti-Al(Zr)键的平均强度明显减弱, 金属键增强, 这是改善γ-TiAl合金延性的重要因素.     

V掺杂ZnO透明导电薄膜研究

本文分别采用磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法两种方式, 对高价态差元素V掺杂ZnO薄膜进行研究. 实验研究结果表明: V的掺入并未改变ZnO的生长方式, 所制备的薄膜都呈(002)择优生长; 随着衬底温度增加, VZO薄膜的结晶质量逐步改善, 当衬底温度超过280 ℃时薄膜的结晶质量恶化; 在280 ℃时获得的VZO薄膜电阻率最低3.8×10^-3 Ω·m, 500-2000 nm平均透过率高于85%. 理论模拟结果表明: V以替位形式掺入ZnO六角纤锌矿晶格结构中, 费米能级进入导带, 材料表现出n 型半导体的特性, 导电电子主要由V 3d及O 2p电子轨道提供. 理论计算结果与实验结果的一致性, 表明VZO薄膜具有作为高效Si基薄膜太阳电池透明导电薄膜的应用潜力.     

过渡金属电催化剂在硅基光阳极分解水产氧中的作用

光电化学分解水可将太阳能转换为绿色的氢能,为目前的能源危机和环境问题提供了一种理想的解决方案.在分解水反应中,涉及四空穴过程的产氧半反应是制约性能的关键步骤,往往需要在半导体表面沉积电催化剂以加速产氧反应动力学.因此,全面理解电催化剂在光电化学分解水体系中的作用至关重要.在目前的产氧电催化剂中,过渡金属羟基氧化物电催化剂(MOOH,M=Fe,Co,Ni)因其环保、廉价、高效以及稳定的特性,已被广泛用于半导体光阳极分解水器件中.而且,MOOH可用简单的电沉积方法沉积在光电极表面,易于大面积制备.然而,电沉积法制备的MOOH具有复杂的结构,对其作用机制的全面理解更加困难.因此,本文以电沉积MOOH修饰的硅基光阳极(n⁺p-Si/SiO_x/Fe/FeOx/MOOH)作为模型,研究了不同电催化剂对硅光阳极光电化学产氧性能的影响.实验发现电催化剂的界面优化在电催化剂修饰的光电极中发挥着重要作用,这是因为优化的界面可以提升界面电荷传输,提供更多的催化反应活性位点以及更高的本征催化活性,从而更有利于光解水性能的提升.该项研究揭示了电催化剂在光解水器件中的作用,并为今后高效光解水器件的设计提供了一定指导.首先在多晶n⁺p-Si基底上热蒸镀了一层30 nm的金属Fe膜,并通过电化学活化将Fe膜表面转换为FeOx得到Fe/FeOx(记作aFe)界面层,然后利用电沉积方法制备MOOH表面修饰层,最终得到n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH光阳极.X射线光电子能谱、拉曼光谱以及扫描电子显微镜表面元素成像的表征结果均证实电极表面由于界面层金属Fe元素的掺杂而形成了Fe1-xNixOOH.在模拟太阳光下用于光解水产氧时,n⁺p-Si/SiO_x/aFe:NiOOH电极的起始电位为~1.01 VRHE(相对于可逆氢电极的电势),在1.23 VRHE下的光电流为38.82 mA cm^-2,显著优于n⁺p-Si/SiO_x/aFe、n⁺p-Si/SiO_x/aFe:FeOOH以及n⁺p-Si/SiO_x/aFe:CoOOH三个对比样品,且其稳定性达到75 h.另外,我们发现n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH电极的光电化学产氧性能均显著高于n⁺p-Si/SiO_x/aFe电极,且p++-Si/SiO_x/aFe:MOOH的电催化产氧性能也高于p++-Si/SiO_x/MOOH,不仅证明了aFe界面层对Si与MOOH层之间的界面接触作用的有效调控,而且表明双电催化剂体系(aFe:MOOH)的电催化产氧活性高于单电催化剂(MOOH).热力学分析表明,n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH光阳极的光电压大小与其光解水产氧性能并不一致,从而排除了热力学因素对性能的关键影响.进一步从塔菲尔斜率、电化学活性表面积和电化学阻抗谱对各电极的动力学进行了分析,证明了动力学因素在上述光阳极产氧性能中的主导作用.同时发现,由于aFe:NiOOH双电催化剂具有更高的本征电催化产氧性能,提供了更多的表面活性位点以及更有效地促进了光生载流子的传输,对动力学的提升效果更显著,从而使n⁺p-Si/SiO_x/aFe:NiOOH光阳极表现出最高的光解水产氧性能.     

APU故障智能诊断系统设计

针对高旋环境下测试困难、测量精度低这一问题,提出了一种能在高旋环境下实现轴向减速装置,以达到稳定的良好的测试环境。该装置通过驱动仓内大量程陀螺仪测得的转速反馈给控制系统,控制系统输出控制信号来控制伺服电机,同时电机捷联内筒仓,使其相对外部转动方向反向旋转,实现轴向减速。实验结果表明,该装置可在高旋弹药飞行过程中提供稳定测试环境,从而得到更精准的姿态解算结果,为高旋环境下的测试提供了新的思路,具有广阔的应用前景。     

基于AHP权重和灰色服务器负载预测的云计算On-line迁移策略

为了克服云计算环境下由于实时用户任务的不确定性到来和服务器性能差异而导致的云计算环境的负载不均衡问题,提出了一种AHP权重获取和灰度算法预测服务器负载的云计算on-line虚拟机迁移策略。首先,设计了基于AHP和灰色服务器预测的虚拟机on-line迁移模型,提出了采用AHP获取虚拟机各资源需求权重,然后,采用灰色模型预测下一时刻的服务器负载,采用此权值向量与各无需迁移的服务器的空闲资源向量进行加权得到加权和,将具有最小加权和的物理服务器作为迁移的目标宿主机。最后,定义了基于AHP权重和灰色服务器负载预测的云计算on-line迁移算法。在CloudSim环境下进行实验,结果表明文中的迁移策略使得云计算在响应用户任务时,具有任务失败次数少、SLA违约率低和迁移成功率高的优点,同时与其它方法相比,具有负载均衡程度高的优点,具有较强的可行性。     

基于数值原子轨道基组的第一性原理计算软件ABACUS

随着超级计算机硬件和数值算法迅速发展, 使得目前利用密度泛函理论研究上千个原子体系的电子能带和结构等性质变得可行. 数值原子轨道基组由于其基组较小和局域等特性, 可以很好地与电子结构计算中的线性标度算法等的新算法结合, 用来研究较大尺寸的物理体系. 本文详细介绍了一款中国科学技术大学量子信息重点 实验室自主开发的基于数值原子轨道基组的第一性原理计算软件 Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc. 大量的测试结果表明: 该软件具有很好的准确性和较高的并行效率, 可以用于包含1000个原子左右的系统的电子结构和原子结构的研究以及分子动力学模拟计算.