基于第一性原理计算Co基尖晶石MCo2O4(M=Fe,Mn, Cu,Ni)磁性和电性

利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对Co基尖晶石氧化物MCo₂O₄(M=Mn, Fe, Ni, Cu)的电子结构和磁学性质进行了计算，得出Co基尖晶石氧化物的稳定结构，总结了这些化合物呈正尖晶石和反尖晶石分布时的电子结构和磁构型.比较计算CoFe₂O₄和FeCo₂O₄发现改变阳离子的分布会影响材料的电学性质，通过研究得出，Co基尖晶石氧化物结构为正尖晶石的材料都具备铁磁性，结构为反尖晶石的材料都具备亚铁磁性.     

基于特征选择和机器学习的材料弹性性能预测

利用机器学习方法进行材料性能预测研究,通过运用3种特征选择方法(Filter、RFE、LASSO)和3种机器学习模型(线性回归、岭回归、支持向量回归),从众多多尺度特征集中选择最佳的特征子集来预测无机化合物的弹性性能,归纳了预测材料弹性性能的最有效的、组合了特征选择与机器学习的预测模型,比较了特征选择方法在不同机器学习模型上的表现,分析了利用特征选择方法得到的特征子集.实验结果表明,Filter和SVR组合模型的预测结果最好,机器学习模型比特征选择方法对预测结果的影响更大,特征选择方法选出的特征子集中主要包括熔点、晶体结构、门捷列夫序号等材料特性.文中研究成果可为获得无机化合物弹性性能描述符和进一步开发更有效的材料性能预测方法提供参考.     

基于强化学习的特征选择方法及材料学应用

随着大数据、人工智能以及高性能计算的快速发展, 数据驱动的新材料研发成为研究热点. 在对材料数据进行数据挖掘的过程中, 需要对特征集合进行预处理, 通过减少无关冗余特征, 不仅可以避免模型过拟合, 还能提高模型的可解释性. 基于此, 提出了一种基于强化学习的特征选择(feature selection based on reinforcement learning, FSRL) 算法, 将封装式特征选择抽象成机器学习模型和"环境"互动的过程, 并根据利益最大化准则将对应特征加入特征子集中. 同时, 为了提高模型的预测精度, 还提出一种基于符号变换的特征构造方法来生成新的特征. 最后, 将所提出方法应用到非晶合金材料的分类预测任务和铝基复合材料的回归任务中. 实验结果表明, FSRL 算法的分类准确率最高提升了 2.8%, 而在回归任务中, 基于特征构造的 FSRL 算法使得预测精度最高提升了 22.9%.     

基于流中前 5 个包的在线流量分类特征

针对在线流量分类所面临的特征计算复杂和分类性能不稳定问题,利用流开始的前 5 个数据包（排除三次握手数据包）,计算数据包大小、负载大小和到达间隔时间等网络流量的统计特征,通过分析 3 种机器学习算法（C4. 5、BayesNet 和NBTree）分类的结果,研究可用于在线流量分类的特征以及这些特征应该满足的条件。实验结果表明,所提特征计算简单,能快速有效地区分不同的流量,对于不同的机器学习算法,均取得了较高的分类准确率（92%以上）,适用于在线流量分类。     

尖晶石CSi2N4化合物的电子结构和硬度分析

采用密度泛函理论在广义梯度近似下的赝势平面波方法,对尖晶石CSi2N4体系进行晶格优化,得到能量最低的稳定结构,获得平衡态时的晶格常数,并计算了总能量、弹性常数、体变模量、能带结构和态密度,再根据计算结果对其稳定性和电子结构进行分析.最后,计算了尖晶石CSi2N4化合物的硬度,并与尖晶石结构的氮化碳(C3N4)进行了比较.     

钙、锶的嵌入原子模型参数和性能计算

采用欧阳义芳等人提出的原子相互作用势及其确定嵌入原子模型参数的方案,得到了Ｃａ和Ｓｒ的嵌入原子模型参数,用该模型计算了两元素的单空位形成能、双空位结合能、结构稳定性和弹性常数、计算值与实验符合得比较好。     

多元图图形基元和特征基元提取与表示方法

提出一种多维数据多元图图形基元和特征基元提取和表示的方法.首先应用多维数据多元图表示原理实现无结构数据的结构化表示,然后在建立基于多元图图形基元和特征基元表示的一般化表示模型基础上,提取出了表征多元图图形的图形基元和特征基元.为验证该方法的正确性,采用UCI机器学习数据库中的Iris等数据进行了分类实验,不同分类方法实验结果对比证明该方法具有较好的识别效果.     

Al-Fe-Ce三元系中金属间化合物的形成焓的计算

采用普适分析型的嵌入原子模型,通过拟合铝、铁和铈元素的单空位形成能、晶格常数、结合能和体积弹性模量等实验数据,建立了铝、铈和铁元素相应的嵌入原子相互作用势,合金中异类原子间的相互作用势的参数通过拟合已有的实验结果或第一原理计算结果得到。用该嵌入原子模型分别计算了由铝、铁和铈元素组成的所有二元系和三元系中具有不同晶体结构的有序合金化合物的形成焓,计算结果与已有的第一原理计算结果和实验结果符合得比较好。     

掺铜锂锰氧化物的结构和循环稳定性

用熔盐法制备出掺铜的尖晶石锂锰氧化物LiCuxMn2 -xO4 (x =0 ,0 0 3,0 16 ) .研究合成掺杂样品的一些物理化学性质 .样品中锰的化合价分析结果表明 ,锰的平均化合价随样品中铜含量的增加而增加 .XRD结果表明 ,合成样品均属于立方晶系的尖晶石结构 .尖晶石型的锂锰氧化物掺入铜后晶胞常数 (a)减小 ,掺铜量x =0 ,0 0 3,0 16的锂锰氧化物尖晶石晶胞常数依次为 8 2 35× 10 - 10 m ,8 2 2 1× 10 - 10 m ,8 2 18× 10 - 10 m .恒电流充放电结果表明 ,随着掺铜量的增加 ,样品的初始容量降低 ,但循环稳定性增加 .掺铜量为x =0 ,0 0 3,0 16的锂锰氧化物初始容量分别为 97 9、 85 3、 71 1mA·h/g (0 5mA·cm- 2 ) ,但 5次循环后的容量损失依次为 34 5 %、13 1%、1 5 % .     

Ca5Zn3相稳定性和物理性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Ca_5Zn_3化合物的晶格常数、形成焓、弹性常数、以及电子态密度等进行计算研究。为了获得Ca_5Zn_3化合物的结构稳定性,考虑了Cr_5B_3、W_5Si_3以及Mn_5Si_3 3种结构类型,计算得到的形成焓表明:具有Cr5B3结构类型的Ca_5Zn_3最稳定,其次为Mn_5Si_3型,最后是W_5Si_3型。对该化合物的弹性常数、电子态密度和电荷密度差进行了计算。最后利用德拜模型,对Ca_5Zn_3的热物理性能进行了计算,获得体积、体积模量、热膨胀系数以及等容热容随温度和压强变化的规律,为该化合物在热电方面的应用提供了理论依据。     

Anisotropy of Earth's D' layer and stacking faults in the MgSiO3 post-perovskite phase

The post-perovskite phase of (Mg,Fe)SiO3 is believed to be the main mineral phase of the Earth's lowermost mantle (the D' layer). Its properties explain numerous geophysical observations associated with this layer-for example, the D' discontinuity, its topography and seismic anisotropy within the layer. Here we use a novel simulation technique, first-principles metadynamics, to identify a family of low-energy polytypic stacking-fault structures intermediate between the perovskite and post-perovskite phases. Metadynamics trajectories identify plane sliding involving the formation of stacking faults as the most favourable pathway for the phase transition, and as a likely mechanism for plastic deformation of perovskite and post-perovskite. In particular, the predicted slip planes are {010} for perovskite (consistent with experiment) and {110} for post-perovskite (in contrast to the previously expected {010} slip planes). Dominant slip planes define the lattice preferred orientation and elastic anisotropy of the texture. The {110} slip planes in post-perovskite require a much smaller degree of lattice preferred orientation to explain geophysical observations of shear-wave anisotropy in the D' layer.     

基于“源-汇”理论的传统乡村景观安全格局构建

【目的】构建传统乡村景观安全格局以延续传统乡村地区脆弱的人文与生态景观系统。【方法】基于“源-汇”理论与方法,以太湖西山传统村落为例,通过辨识生态与文化景观系统存续“源”的类别、位置、范围和强度,以土地利用类型、坡度、植被覆盖度与到道路的距离4个指标作为“汇”阻力评价要素,借助ArcGIS 9.3平台与最小累计阻力模型(MCR),计算传统生态、文化景观“源-汇”过程,获取生态、文化景观存续安全格局。【结果】太湖西山生态与人文景观布局高安全等级区域面积分别占67.11%和38.29%,中安全等级区域分别占19.88%和49.16%,低安全等级区域分别只占13.01%和12.55%。【结论】“源-汇”理论与方法在太湖西山传统乡村景观安全格局构建过程中具有较强的适用性,在生态、文化景观过程的模拟、生态与文化景观安全等级划分与分级分区保护中能够发挥积极作用。     

MnO@CoMn$_{\textbf{2}}$O$_{\textbf{4}}$/N-C纳米线复合材料的制备及其作为锂离子电池阳极材料的电化学性能

过渡金属氧化物作为锂离子电池(lithium-ion batteries, LIBs)阳极材料时具有较高的理论容量, 但因其电导率低, 以及充放电过程中的体积膨胀效应常会导致容量的快速衰减. 碳包覆是提升金属氧化物导电性的有效方法, 二者之间的协同效应也可以有效提升材料的电化学性能. 以MnO$_{2}$纳米线为模板制备出MnO$_{2}$@ZIF-67有机-无机杂化纳米结构, 再通过退火处理合成了氮掺杂碳包覆的MnO@CoMn$_{2}$O$_{4}$纳米线复合材料(MnO@CoMn$_{2}$O$_{4}$@N-C). ZIF-67的有机配体在高温煅烧过程中发生碳化反应, 产生了氮掺杂碳, 提升了导电性. 当作为锂离子电池阳极材料时, MnO@CoMn$_{2}$O$_{4}$/N-C纳米线复合材料在0.1 A/g电流密度下的首次放电比容量为1 594.6 mA$\cdot$h/g, 并且在100次充放电循环后的放电比容量仍保持在 925.8 mA$\cdot$h/g, 在0.5 A/g电流密度下经200次充放电循环后的放电比容量仍维持在837.6 mA$\cdot$h/g, 同时具有优异的倍率循环性能. 这种优异的电化学储能特性主要来源于复合材料的特殊结构, 以及氮掺杂碳的包覆.     

全球原木贸易网络结构及其危机传播的仿真分析

【目的】经济全球化的深入使得各国之间的贸易联系越来越紧密,一定程度上提升了政治、经济等危机在贸易网络中传播的速度和广度。分析全球原木贸易网络结构及其危机传播路径,有利于各国规避贸易风险,优化原木贸易结构。【方法】综合运用社会网络分析方法和靴襻渗流仿真模型,首先分析2018年全球原木贸易网络结构特征,然后仿真分析不同情境下各国发生贸易危机时对全球原木贸易网络的影响。【结果】全球原木贸易网络整体关系松散,局部关系紧密,不同国家的中心度有所不同,核心国家的“抱团”现象使得网络中“俱乐部”效应明显;不同国家发生贸易危机时对网络的影响总体上可分为“快而广”“快而窄”“慢而广”“慢而窄”4种类型。原木进口依赖型和出口依赖型国家在危机传播方面具有不同的特征,前者表现出较强的危机影响力。一国的危机影响力不仅取决于该国的网络结构,还与其贸易结构相关。靴襻渗流模型能够很好地模拟原木贸易网络中的危机传播过程,且不同阈值下,危机传播过程较为相似,但对网络的影响程度不同。通过2020年爆发的新冠肺炎疫情对原木贸易网络的影响分析可得,一国对原木贸易依赖程度越高,受危机影响的程度越大。【结论】各国应从全局的视角出发,着力构建更为稳定的贸易关系,不断降低对单一国家的原木贸易依赖,从而分散风险,优化全球原木贸易网络。     

Cd诱导土壤ALP的Hormesis效应:土地利用变化的驱动机制

【目的】土地利用变化引起土壤对环境胁迫的潜力发生改变,以土壤碱性磷酸酶(ALP)为例,研究土壤酶的Hormesis效应,揭示其与土地利用变化的关系。【方法】采集洪泽湖河湖交汇区湿地光滩、芦苇、柳树和杨树人工林,以及农田5种土地利用类型下的土壤,研究自然演替和人为土地利用改变下Cd诱导ALP的Hormesis效应及其差异,解析土地利用改变的影响。【结果】光滩和芦苇两种自然覆被下,Cd诱导ALP 的Hormesis效应最大刺激率(y_max)分别为8.81%和5.84%,诱导ALP表达Hormesis效应的Cd剂量范围(D₁-D₂)分别是0.39~3.02和0.22~3.77 mg/kg,剂量区间(Q_i)为7.74和17.14,ALP应对Cd胁迫的潜能(R)为11.34和7.85。相比较而言,农田人为土地利用改变下 y_max为5.22%,D₁-D₂为0.09~1.03 mg/kg,Q_i为11.44,R为3.02。【结论】芦苇围垦为农田使得y_max、Q_i和R均明显下降,这可能导致土壤对Cd胁迫伤害的补偿潜力下降。进一步分析表明,洪泽湖河湖交汇区不同土地利用下土壤质地、全氮以及溶解性有机碳含量对ALP的Hormesis效应表达产生了重要影响。     

冷轧钢板变形织构的理论模拟

采用取向分布函数法研究了钢板中的轧制织构。其中以｛１１０｝＜１１１＞滑移系滑移为基本变形机制，利用Ｓａｃｈｓ，Ｔａｙｌｏｒ，ＲＣ和ＰＣ等模型对轧制织构进了理论模拟。这些理论模型可以再现体心立方金属冷轧过程中晶粒取向在｛１１２｝＜１１０＞，｛１１１｝＜１１０＞，｛１１１｝＜１１２＞及｛００１｝＜１１０＞附近的聚集过程。分析表明｛１１０｝＜１１１＞滑移系的滑移是体心立方金属十分重要的变形机制，适当参考     

“碳中和”背景下碳输入方式对森林土壤活性氮库及氮循环的影响

森林生态系统具有碳源和碳汇双重功能,调控森林中碳输入方式对于实现我国“碳中和”目标具有重要意义。作为森林土壤有机碳(SOC)的主要来源,不同碳(C)输入方式(如地上凋落物、地下植物根系等)对森林生态系统土壤氮(N)循环的影响一直是相关学者的研究重点。笔者综述了目前国内外不同C输入方式对土壤活性N库、土壤N矿化、硝化过程及氧化亚氮(N₂O)排放的影响研究现状,分析了森林土壤活性N库及N转化过程对不同C输入变化的响应,发现:① 地上C排除可以降低土壤有效态氮(主要包括$NH_{4}^{+}$-N和$NO_{3}^{-}$-N)的含量,但地下C排除却增加了土壤$NH_{4}^{+}$-N含量。C输入方式的改变对土壤微生物生物量氮(MBN)含量影响具有不确定性,这可能与生态系统类型、树种组成、时间尺度等因素相关。此外,地下C排除对土壤可溶性氮(DON)含量的影响较地上C排除的大,地下根系可能是影响土壤DON含量的主要贡献者。② 地上C输入对土壤N矿化及硝化速率的影响在短期内较大,而长期影响较小。其主要是通过间接改变土壤微生物活性从而影响了土壤N矿化及硝化过程,地下C排除增加了土壤N矿化速率,且随着时间尺度的增加表现更加明显。③ 地上C输入通过改变硝化和反硝化微生物的可利用C源而间接影响了N₂O的排放,且受到树种影响显著,而地下C输入对N₂O的影响因根系质量等的差异而发生改变。综上可知,森林土壤活性N库及N循环过程对不同C输入具有不同的响应机制,且受生态系统类型、物种、时间等因素影响较大。目前关于两种乃至多物种不同C的输入对森林土壤N影响的研究较少,且定性研究较为普遍;对优化森林生态系统地上地下C输入动态模型和精准预算不足,尚未建立完整的碳减排生态补偿机制。今后的研究亟须定量了解不同森林生态系统不同的C输入及其两者或者多物种之间的交互影响对土壤N的影响机制,且需更多地考虑在时间尺度上的长期变化过程;需要提升核算与预测森林地上地下碳中和能力,加快森林碳中和技术研发,为提前实现“碳中和”战略目标提供科技支撑。     

济南市一次持续性重污染天气的颗粒物化学组分演变分析

为研究济南市冬季大气重污染过程特征,以2020年12月8日—13日发生的一次典型大气重污染过程为例,从污染过程、气象条件、细颗粒物化学组分等角度综合分析此次重污染过程的特征和成因。结果表明,此次重污染过程期间首要污染物均为PM_2.5,其平均质量浓度为137 μg/m³,11日21时达到此次污染峰值,PM_2.5质量浓度高达为235 μg/m³。重污染期间高空环流较为平直;低层850 hPa受西南气流影响,有利于逆温层结的形成;地面均压场控制,平流雾、辐射雾交替产生。静稳气象条件使得PM_2.5质量浓度累积及高湿状态下颗粒物二次转化增强。观测期间,二次离子(SNA= $SO^{2-}_{4}$ + $NO^{-}_{3}$ + $NH^{+}_{4}$) 质量浓度为85.4 μg/m³,占PM_2.5质量浓度的52.0%。硫转化率(R_S)和氮氧化率(R_N)均值分别为0.44和0.33,大气中SO₂和NO₂的二次氧化程度较高;R_S高于R_N,表明污染期间二次$SO^{2-}_{4}$的二次转化效率高于 $NO^{-}_{3}$。$\rho_{NO^{-}_{3}}$ / $\rho_{SO^{2-}_{4}}$平均值为2.1,表明移动源对PM_2.5污染的贡献占主导地位。有机碳和元素碳浓度的平均比值为6.5,可见本次重污染期间济南市大气中存在二次有机碳(SOC)污染。采用有机碳和元素碳比值(ρ_OC/ρ_EC)最小比值法估算得到重污染期间一次有机碳浓度和二次有机碳浓度分别为11.9 μg/m³、4.3 μg/m³,表明一次燃烧源对污染过程有较大贡献。     

二硫化钼-氧化石墨烯纳米粒子的添加量对水性聚氨酯丙烯酸树脂涂层防腐蚀性能的影响

金属腐蚀给世界经济带来巨大损失, 防止金属腐蚀成为人们关注的焦点. 采用一种简单的方法合成二硫化钼-氧化石墨烯 (molybdenum disulfide-graphene oxide, MoS$_{2}$-GO), 将其作为纳米填料加入水性聚氨酯丙烯酸树脂 (waterborne polyurethane acrylic, WPUA) 涂层, 解决金属腐蚀的问题. 首先, 利用氨基丙基三乙氧基硅烷 (aminopropyltriethoxysilane, APTES) 对二硫化钼进行改性合成硅烷偶联剂改性二硫化钼 (molybdenum disulfide modified by silane coupling agent, A-MoS$_{2}$); 然后, 将 A-MoS$_{2}$ 与氧化石墨烯 (graphene oxide, GO) 在 N, N-二甲基甲酰胺 (dimethyl formamide, DMF) 中进行反应得到 MoS$_{2}$-GO 纳米粒子; 最后, 按照不同添加量 (0%、0.2%、0.4%、0.6%、 0.8% 和 1.0%) 将其加入 WPUA 涂层. 结果显示: MoS$_{2}$-GO 纳米粒子成功合成, 对比发现其中 0.4%MoS$_{2}$-GO/WPUA 涂层的表面平整致密, 接触角为 99.67$^{\circ}$; 在 3.5% NaCl 溶液中浸泡 28 d Bode 图中 $\vert Z\vert _{0.01{\rm Hz}}$ 为 3.19$\times $10$^{7} \Omega\cdot $cm², Nyquist 图为 1 个半圈, 相角图表现为 90$^{\circ}$ 的单峰, 表明具有更好的防腐蚀性能.     

近30年河南省度假气候指数变化特征分析

利用河南省111个国家气象观测站近30年(1991—2020年)的地面气象资料,包含逐日最高气温、平均相对湿度、降水量、风速、云覆盖率等气象要素,分析河南省度假气候指数的时空变化特征。结果显示:河南度假气候指数1—12月份达到“适宜”及以上等级,月变化呈现双峰型,在4—5月和9—10月最高,达到“特别适宜”等级;度假气候指数在季节变化上,春秋两季最高、夏季次之、冬季最低;空间分布上年内呈现“北高南低”的特点,季节分布上呈现明显的区域特点和一定的维度特点。