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 針對目前日趨小型化的各種民用與軍用微電子產品對高能量密度便攜式電源系統的需求，開展新型清潔能源的研究尤為重要。納米催化燃燒發電技術使得燃料可以充分燃燒，無需點火過程，無需任何機械運動部件就可以在納米尺度下將熱能直接轉化為電能。燃燒所釋放的能量，其單位質量輸出的功率是傳統使用的化學電池的幾十倍，從而大大提高了能源利用率，更重要的是此反應的生成物是無毒的二氧化碳和水，是一種全新的燃燒方式。此發明已經獲得了美國發明專利“Solid state transport-based thermoelectric converter”,US 7696668。已經首創完成了第一代NanoEPower的結構測試和芯片的設計制造，在一塊郵票大小的硅片上集成了上千個微米級發電單元，納米催化低溫燃燒發電的概念已經完成了實驗室原理驗證。該項目得到了科技部、上海市科委、云南省科委等多家單位支持, 可以應用在芯片級納米催化燃燒發電系統上。

環氧苯乙烷作為一種重要的化工中間體被廣泛應用于化工與醫藥生產等眾多領域，傳統的制備方法——鹵醇法在生產過程中環境污 染嚴重、對原料的利用率不高，導致生產成本居高不下。隨著整個社會環保意識的不斷增強，綠色化學日益受到重視。在催化苯乙烯環氧化反應的研究過程中，開發高效、低污染、低能耗、環境友好的催化劑一直是研究的主要方向。雖然在許多研究人員的不懈努力下，催化劑的研究取得了可喜的進展，但是現有的催化劑還存在著一些缺陷， 新型高效催化劑的研發仍然是當前研究的熱點之一。我們發現將普魯士藍類配合物用于催化苯乙烯

研究背景 芯片是人類最偉大的發明之一，也是現代電子信息產業的基礎和核心。小到手機、電腦、數碼相機，大到6G、物聯網、云計算均基于芯片技術的不斷突破。半導體光刻工藝水平的發展是以芯片為核心的電子信息產業的基石，目前半導體光刻的制造工藝幾乎是摩爾定律的物理極限。隨著制造工藝的越來越小，芯片內晶體管單元已經接近分子尺度，半導體制作工藝的“瓶頸效應”越來越明顯。隨著全球化以及科技的高速發展，急劇增長的龐大數據量要求數據處理模型和算法結構不斷優化升級，帶來的結果就是對計算能力和系統功耗的要求不斷提高。而目前智能電子設備大多存在傳輸瓶頸、功耗增加以及計算力瓶頸等現象，已越來越難以滿足大數據時代對計算力與功耗的需求，因此提高運算速度同時降低運算功耗是目前信息工業界面臨的緊要問題。 如當年集成電路開創信息時代一樣，當下已經普及的光通信正在成為新革命力量的開路先鋒。與此同時，光子芯片正在從分立式器件向集成光路演進，光子芯片向小型化、集成化的發展趨勢已是必然。相對于電子驅動的集成電路，光子芯片有超高速率，超低功耗等特點，利用光信號進行數據獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的光子芯片，具有非常廣闊的發展空間和巨大的潛能。 項目功能 本項目瞄準光通信關鍵技術及核心芯片，基于量子阱二極管發光探測共存現象，探索關鍵微納制造技術，研制出可以同時實現通信、感知功能的一體化光電子芯片。 技術路線 一、技術原理及可行性 本項目主要負責人王永進教授發現如圖1所示的量子阱二極管發光探測共存現象，首次研制出同質集成發射、傳輸、調制和接收器件的光電子芯片，這些原創工作引起了業界相關科研小組地廣泛關注，化合物半導體同質集成光電子芯片成為研究熱點。香港大學的蔡凱威小組和申請人合作提出濕法刻蝕和激光選擇性剝離技術，在藍寶石氮化物晶圓上實現LED基同質集成光電子芯片(Optica 5, 564-569 (2018))。沙特阿卜杜拉國王科技大學Ooi教授和美國加州大學圣巴巴拉分校Nakamura教授小組在藍寶石氮化物晶圓上，研制出基于氮化物激光器的同質集成光電子芯片(Opt. Express 26, A219(2018))。中科院蘇州納米所孫錢小組在硅襯底氮化物晶圓上，研制出基于氮化物激光器的同質集成光電子芯片(IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24, 8200305 (2018))。在NRZ-OOK調制方式下，InGaN/GaN量子阱二極管可實現Gbps的光發射、調制和探測速率(Appl. Phys. Express 13, 014001 (2020))。這些工作表明研發基于光子傳輸的化合物半導體同質集成光電子芯片以實現片上光子通信是可行的。   二、總體結構設計及工藝流程 本項目提出的同時通信/感知一體化光電子芯片基于常規的藍寶石襯底氮化鎵基多量子阱LED外延片進行設計，無需特殊定制的外延結構。以典型的2寸氮化鎵基藍光LED外延片為例，其外延片結構如圖2所示，從下至上依次為藍寶石襯底、AlGaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱層和P型GaN層，通過調節InGaN/GaN多量子阱層的參數（層厚度與In的比例等等）可制備具有不同中心波長的光源器件。   圖3為本項目所提出的同時通信/感知一體化光電子芯片結構。在藍寶石襯底的氮化物晶圓上通過刻蝕和沉積等一系列晶圓級微納加工技術，制備出單片集成的InGaN/GaN多量子阱LED和PD。光子芯片的P、N電極可以采用倒裝技術直接與基板相連，光線從透明的藍寶石襯底發出，這樣不僅使得器件具有優良的電性能和熱特性而且簡化了其后期的封裝工藝。 三、技術創新優勢 1、同一塊晶圓上集成LED和PD使得兩者間距離大大縮短，不僅有助于增強PD對藍寶石表面反射光線的耦合，提升感知系統性能，而且縮小了器件整體外形，符合集成電子器件小型化、便攜化的發展趨勢； 2、單片集成的LED和PD器件相比于傳統異質的、分立的LED和PD簡化了封裝形式和工藝，不再需要對LED和PD進行單獨的封裝，而且同質集成器件的基板也較異質結構的簡單統一，極大地縮短了集成系統的制作周期； 3、同時通信/感知一體化光電子芯片采用相同的工藝就可以制作出LED和PD，簡化了生長異質材料的復雜性，縮短了器件流片的周期，使用同一工藝就可將LED和PD進行批量生產，有效地降低了生產成本。 四、實驗驗證 本項目團隊所在的Peter Grünberg研究中心擁有完整的LED器件制備、光電性能測試與電學性能測試平臺，并且項目成員積累了豐富的測試技術與經驗，能夠滿足本項目的同時通信/感知一體化光電子芯片測試同時表征光電參數與電學參數的需求。下圖4所示為器件形貌表征圖，從左邊依次是掃描電鏡圖、光鏡圖、原子力顯微鏡圖。   基于通信感知一體化芯片，本項目利用單個多功能集成器件成功實現了對人體脈搏的監測功能，如圖5所示。   另外基于通信感知一體化氮化鎵光電子芯片，我們還實現了照明、成像和探測功能為一體的LED陣列系統，如圖6所示。該系統可以在點亮照明的同時，實現對外界光信號的探測與感知，通過后端系統處理后，再將信息通過陣列顯示出來，實現多種功能的集成。 項目負責人王永進教授是國家自然基金委優秀青年項目、國家973項目獲得者，他以第一或通訊作者身份在Light-Sci Appl.等主流學術期刊發表一系列高質量研究論文，獲授權中國發明專利23項，美國發明專利2項，被National Science Review、Semiconductor Today等做9次專題報道，榮獲2019年中國電子學會科學技術獎（自然科學）、2019年南京市十大重大原創成果獎等。

在大尺寸寬禁帶/半導體單晶襯底外延設備、材料生長等方面做出了突出的工作。2001年始，研制出國內第一臺用于氮化鎵（GaN）襯底的鹵化物氣相外延（HVPE）系統，研究發展了獲得高質量GaN襯底所需的所有關鍵技術并擁有自主知識產權，在氮化鎵單晶襯底設備和材料技術領域已獲授權國家發明專利30余項、申請國家發明專利30余項。在國內最早研制出2英寸毫米級GaN單晶襯底，建成6英寸HVPE系統并實現7片2吋及4-6吋GaN均勻生長；研究出創新性的GaN襯底批量制備技術，即將進行高質量、低成本GaN襯底的產業化應用，為第三代半導體應用奠定了材料基礎。

本發明公開了一種激光輔助低溫生長氮化物材料的方法及裝備， 該方法將非氮元素的前驅體蒸汽和活性氮源前驅體氣體分別輸送到反 應腔室內溫度為 250 至 800℃的襯底材料處，利用波長與活性氮源分 子鍵共振波長相等的激光束作用于活性氮源氣體，使激光能量直接耦 合至活性氮源氣體分子，加速 NH 鍵的斷裂，提供充足的活性氮源， 使非氮元素與活性氮源發生化學反應，沉積第 III 族氮化物膜層材料， 持續作用直到沉積物覆蓋整個襯底

團隊與合作者首次報道了米級單晶Cu(111)襯底的制備方法，并在此基礎上實現了米級單晶石墨烯的外延生長（Science. Bulletin 2017, 62, 1074）。與石墨烯不同，六方氮化硼等其它絕大多數二維材料不具有中心反演對稱性，其外延生長普遍存在孿晶晶界問題：旋轉180°時晶格方向發生改變，外延生長時不可避免地出現反向晶疇，而在拼接時形成缺陷晶界。 開發合適對稱性的外延單晶襯底是解決這一科學難題的關鍵。研究團隊探索出利用對稱性破缺的襯底外延非中心反演對稱二維單晶薄膜的新方

目前國內發電廠主要是燃煤發電，煤炭的燃燒使發電廠廢氣中含有大量的二氧化碳（CO2），占工業CO2 總排放量的30%左右，造成了嚴重的大氣污染和溫室效應。燃煤電廠中二氧化碳的處理已成為目前急需解決的問題，因此燃煤電廠廢氣中二氧化碳的捕集成為目前的研究熱點之一。燃煤電廠尾氣脫CO2 理論上有吸收分離法、吸附法、膜分離法、膜基吸收法和低溫蒸餾法等。國際能源署在上世紀90 年代對上述幾種脫CO2 法的調查研究表明,對煙道氣脫CO2 較有前途的是“膜基氣體吸收法”。膜吸收技術是膜技術與氣體吸收技術相結合的膜過程,通常使用疏水微孔中空纖維膜將氣體與吸收液隔開。用于分隔氣液兩相的疏水微孔膜的可用材料廣泛，可以為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯等。利用膜吸收技術捕集CO2 與傳統的吸收塔相比，膜吸收可以對氣、液兩相流速寬范圍獨立控制，而且氣液接觸面大，能耗低，避免了液泛、霧沫夾帶、溝流、鼓泡等現象發生。另外，膜吸收技術更有利于燃煤電廠尾氣中CO2 的回收后再次利用，利用膜吸收技術回收的CO2 純度高，可達到95%以上，可應用于食品、醫藥等行業，為社會創造了更多的經濟價值和社會效益。 本技術以疏水中空纖維膜為氣液兩相間分隔界面，其較強的疏水性能可以防止液相的泄漏，另外所用膜材料能耐受強酸強堿的長期腐蝕，給膜吸收設備提供了更長的使用壽命。而所采用的中空纖維膜組件還具有氣液接觸面積大、設備體積小等優點。以MEA、MDEA 等醇胺溶液為吸收劑，膜解吸過程相對簡單,與傳統的方法相比具有設備投資低、分離效率高、使用周期長等優點，是具有廣大前景并值得推廣的技術。 技術指標：所用吸收劑：MEA、DEA 等醇胺類吸收劑；處理前CO2 含量≤10%；處理后CO2 含量≤0.3%；去除能力：99%；吸收劑回用方式：加熱解吸循環；吸收劑熱解吸溫度：60～80℃；裝置使用壽命1～2 年。應用范圍：可廣泛應用于燃煤發電廠尾氣中CO2 的回收處理、煙道氣處理及相關領域。市場分析膜吸收法捕集CO2 技術能耗低，占地面積小，在操作上存在很大的優勢；另外，吸收CO2的吸收劑可經過加熱等方法進行循環利用，捕集的CO2 濃度較高，市場前景相當廣闊。效益分析：本技術設備簡單、投資少、操作成本低，與傳統技術相比能耗大大降低，而且回收的CO2純度較高，經過凈化之后可再次應用于醫藥、食品、化工等行業，具有顯著的經濟效益。

針對鋼鐵工業 CO 2 排放量大的問題以及少（無）煙塵、深度脫磷、脫氮、控氧的綠色潔凈煉鋼的發展方向，2004 年研發團隊提出將 CO 2 作為資源循環應用于煉鋼過程，同時利用 CO 2 的高溫特性解決現有冶金工藝存在的問題。經過根據十余年的研究發現，CO 2 是弱氧化性氣體，在煉鋼溫度下與碳、硅、錳等元素可發生氧化反應，并伴隨吸熱或微放熱效應，具有以下冶金功能：（1）利用 CO 2 參與煉鋼反應的吸熱效應，可將 2700-3000℃的頂吹氧氣射流高溫火點區降低至鐵的沸點（2750℃）以下，減少了鐵的蒸發量；（2）轉爐煉鋼前期硅、錳等元素的氧化使熔池迅速升溫，難以滿足低溫高效脫磷的熱力學條件，可通過噴吹 CO 2 控制熔池升溫速率，延長低溫脫磷時間，解決了長期困擾煉鋼的脫磷不穩定、深脫磷難等問題；（3）與純氧噴吹相比，CO 2 與鋼中各元素反應均生成 CO，能夠強化熔池攪拌，改善渣鋼反應動力學條件，減少終點鋼液過氧化，生產低氮/低磷/低氧鋼種；（4）利用煉鋼底吹 CO 2 的冷卻效應，發明了 CO 2 控制“蘑菇頭”生長與消除的動態平衡方法，可有效延長煉鋼底吹元件壽命。在充分掌握 CO 2 高溫弱氧化、強攪拌及冷卻效應等冶金反應特性的基礎上，研發團隊提出在煉鋼生產中采用 CO 2 代替部分頂吹 O 2 、底吹 CO 2 代替全部 N 2 /Ar進行 CO 2 -O 2 混合噴吹煉鋼的工藝流程（見附件 1 工藝路線圖），發明了具有自主知識產權的煉鋼噴吹 CO 2 降塵、高效脫磷、脫氮/控氧及長壽底吹等系列技術，并完成了工業示范應用。

成果完成人瞄準1000MW超臨界二氧化碳燃煤（sCO2）發電系統，主持了國家重點研發計劃項目“超高參數高效二氧化碳燃煤發電基礎理論與關鍵技術研究”。 本成果從系統和部件兩個層面進行研究，被推薦為2020年度國家重點研發計劃重點科技成果，并在2021年1月27日科技日報上做了報導。具體成果如下： 1、sCO2鍋爐模塊化設計：sCO2循環流量是水蒸氣機組的6-8倍，導致S-CO2鍋爐嚴重堵塞，發現機組效率懲罰效應。首次提出1/8分流減阻原理，在保持吸熱量及循環流量不變條件下，將壓降降低為傳統設計的1/8，由此提出模塊化鍋爐設計，將鍋爐壓降減小到與水蒸氣鍋爐相當或更低水平，徹底解決大壓降難題。 2、煙氣熱量全溫區吸收：針對sCO2循環適合中高溫熱源，單個sCO2循環無法吸收煙氣全溫區熱量，提出頂低復合循環，實現熱量全溫區吸收。提出能量復疊利用原理及設備共享，完全消除頂底循環效率差并簡化系統。1000MWe級燃煤sCO2發電效率達到～50%，比水蒸氣機組高3-4個百分點。 3、鍋側和爐側綜合調溫方法：針對sCO2進入鍋爐溫度較高，抬高受熱面溫度，提出鍋側和爐側綜合調溫方法，發明“冷熱匹配、層級降溫”原理，提出“上大下小+雙爐膛+煙氣再循環”的創新型鍋爐設計。建成壓力達26MPa的超高參數sCO2傳熱系統，提出超臨界傳熱類沸騰理論，結合實驗數據，給出了鍋爐管發生傳熱惡化的臨界判據。誕生第一臺超臨界二氧化碳燃煤鍋爐原理樣機。 本成果闡明了能量復疊利用原理，是能量梯級利用的繼承和發展，消除了復合循環中頂循環和低循環的效率差，最大限度挖掘了sCO2燃煤發電系統的效率優勢。并首次闡明超臨界流體分子尺度下的非均勻物質結構，顛覆了人類對超臨界流體物質結構的認知，首次將亞臨界壓力下的多相流體理論體系引入到超臨界傳熱中，初步實現了亞臨界和超臨界壓力下能量傳遞與轉換理論的統一，達到國際領先水平。